电子设备中实现数学积分操作的元件

积分电路

积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。它是组成模拟计算机的基本单元,用以实现对微分方程的模拟。同时,积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元,利用其充放电过程可以实现延时、定时以及各种波形的产生。

电子设备实训总结 一、电路组成

电容两端的电压uc与流过电容的电流ic之间存在着积分关系,即

如能使电路的输出电压uo与电容两端的电压uc成正比,而电路的输入电压ul与流过电容的电流ic成正比,则uo与ul之间即可成为积分运算关系。利用理想运放工作在线性区时"虚短"和"虚断"的特点可以实现以上要求。在上图中,输入电压通过电阻R加在集成运放的反相输入端,并在输出端和反相输入端之间通过电容C引回一个深度负反馈,即可组成基本积分电路。为使集成运放两个输入端对地的电阻平衡,通常使同相输入端的电阻为

可以看出,这种反相输入基本积分电路实际上是在反相比例电路的基础上将反馈回路中的电阻RF改为电容c而得到的。

由于集成运放的反相输大端"虚地",故

可见输出电压与电容两端电压成正比。又由于"虚断",运放反相输入端的电流为零,则i1=ic,故

u1=i1R=icR

即输入电压与流过电容的电流成正比。由以上几个表达式可得

(2)

式中电阻与电容的乘积称为积分时间常数,通常用符号r表示,即

如果在开始积分之前,电容两端已经存在一个初始电压,则积分电路将有一个初始的输出电压Uo(0),此时

(3)

二、输入、输出波形

(一)输入电压为矩形波

如果在基本积分电路的输入端加上一个矩形波电压,则由式(3)可知,当t≤to时,u1=0,故uo=0;当to<t≤t1时,uI=U1=常数,则

此时uo将随着时间而向负方向直线增长,增长的速度与输入电压的幅度U1成正比,与积分时间常数RC成反比。

当t>t1时,u1=0,由式(3)可知,此时uo将保持t=t1时的输出电压值不变。

(二)输入电压为正弦波

若u1=Umsinwt,则由式(3)可得

此时积分电路的输出电压是一个余弦波。uo的相位比u1领先90°。此时积分电路的作用是移相。

三、积分电路的误差

在实际的积分运算电路中,产生积分误差的原因主要有以下两个方面:

一方面是由于集成运放不是理想特性而引起的。例如,当u1=0地,uo也应为零,但是由于运放的输入偏置电流流过积分电容,使uo逐渐上升,时间愈长,误差愈大。又如,由于集成运放的通频带不够宽,使积分电路对快速变化的输入信号反应迟钝,使输出波形出现滞后现象,等等。

产生积分误差的另一方面原因是由积分电容引起的。例如,当u1回到零以后,uo应该保持原来的数值不变,但是,由于电容存在泄漏电阻,使uo的幅值逐渐下降。又如,由于电容存在吸附效应也将给积分电路带来误差,等等。


运算放大器的作用(放大、滤波、积分、微分等)

运算放大器是一种电子元件,它可以将输入信号放大到一个更高的电压或电流水平。它是电子电路中最常用的放大器之一,因为它可以执行多种不同的操作,例如放大、滤波、积分和微分等。它通常由多个电阻、电容和晶体管等元件组成,可以通过调整电阻和电容的值来实现不同的放大和滤波效果。

放大作用

运算放大器最基本的作用就是放大信号。当输入信号经过放大器时,它会被放大到一个更高的电压或电流水平。放大器的放大倍数可以通过调整电阻和电容的值来控制。例如,如果我们将一个0.1V的信号输入到放大器中,并将放大倍数设置为100,那么输出信号将会是10V。

滤波作用

运算放大器还可以用来滤波。滤波是一种将输入信号中的某些频率成分去除的过程。运算放大器可以通过连接电容和电阻来实现滤波。例如,当我们将一个包含高频噪声的信号输入到运算放大器中时,我们可以使用一个电容来滤除这些高频成分,从而得到一个更加平滑的输出信号。

积分作用

运算放大器还可以用来执行积分运算。积分是一种将输入信号中的连续变化转换为输出信号中的累积变化的过程。运算放大器可以通过连接电容和电阻来实现积分。例如,当我们将一个正弦波输入到运算放大器中时,我们可以使用一个电容来积分这个信号,从而得到一个余弦波输出信号。

微分作用

运算放大器还可以用来执行微分运算。微分是一种将输入信号中的瞬时变化转换为输出信号中的连续变化的过程。运算放大器可以通过连接电容和电阻来实现微分。例如,当我们将一个方波输入到运算放大器中时,我们可以使用一个电容来微分这个信号,从而得到一个脉冲信号输出。

结尾

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