嵌入式硬件篇---加法减法积分微分器

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前言

在模拟电子技术中，加法器、减法器、积分器和微分器是基本的运算电路，通常基于运算放大器（运放）实现。以下是它们的核心原理、典型结构和应用场景：

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1. 加法器（Summing Amplifier）

结构

反相加法器

反相加法器：多个输入信号通过独立电阻连接到运放的反相输入端，反馈电阻连接输出端与反相端。

同相加法器

同相加法器：输入信号通过电阻连接到同相输入端，但设计复杂，较少使用。

特点

反相输出

反相输出：结果带负号，可通过后续反相电路修正。

虚地特性

虚地特性：反相端为虚地，各输入信号互不影响。

应用

信号混合（如音频混音）、加权求和（如传感器信号融合）。

2. 减法器（差分放大器）

结构

输入信号通过电阻接反相端，通过地接同相端，反馈电阻连接输出与反相端，同相端需配置匹配电阻。

特点

差分放大

差分放大：抑制共模信号，放大差模信号。

共模抑制比

共模抑制比（CMRR）：依赖电阻匹配精度。

应用

传感器差分信号处理（如电桥输出）、噪声抑制。

3. 积分器

结构

输入信号通过电阻 𝑅连接到反相端，反馈回路为电容 𝐶。

特点

时间常数 𝜏=𝑅𝐶:决定积分速度。

直流漂移问题

直流漂移问题：长时间积分可能导致运放饱和，可并联反馈电阻限制低频增益。

应用

波形转换（如方波转三角波）、PID控制器中的积分环节、低频信号生成。

4. 微分器

结构

输入信号通过电容𝐶连接到反相端，反馈回路为电阻𝑅。

特点

高频噪声敏感：易放大高频干扰，实际电路中常在输入电容串联小电阻（𝑅）或反馈电阻并联小电容（𝐶）以抑制噪声。

应用

信号边沿检测、加速度传感器信号处理、通信系统中的频率调制。

关键注意事项

运放线性工作条件

运放线性工作条件：依赖负反馈，需确保运放工作在线性区。

电阻/电容匹配

电阻/电容匹配：直接影响精度（如减法器的CMRR）。

稳定性

稳定性：积分器和微分器需考虑相位裕度，避免振荡。

实际改进：

积分器

积分器：并联反馈电阻防止饱和。

微分器

微分器：加入滤波元件抑制噪声。

加法器

加法器：多个输入电阻
这些电路是模拟信号处理的基础模块，广泛应用于通信、控制、测量等领域。实际设计中需结合具体需求调整参数并考虑非理想因素（如运放带宽、噪声等）。

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