楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 楊本濤 劉 鵬 楊崔榮 王昆林

集成運(yùn)放電路虛短、虛斷與實(shí)短、實(shí)斷之關(guān)系比較研究

楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 楊本濤 劉 鵬 楊崔榮 王昆林

本文論述了在運(yùn)算放大電路中，虛短、虛斷和實(shí)短、實(shí)斷的區(qū)別和聯(lián)系，并通過實(shí)驗(yàn)測試闡明了電路分別在虛短、虛斷和實(shí)短、實(shí)斷狀態(tài)下的工作情況，實(shí)際證明了在理論上虛短、虛斷借用了實(shí)短、實(shí)斷的概念，運(yùn)放電路在實(shí)際的正常工作中虛短、虛斷和實(shí)短、實(shí)斷是有著本質(zhì)上區(qū)別的。

集成運(yùn)放電路；虛短、虛斷；實(shí)短、實(shí)斷；負(fù)反饋電路

1 問題的提出

集成運(yùn)放放大電路是一種高電壓放大倍數(shù)、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路,因其最初多用于模擬信號的運(yùn)算,所以稱之為集成運(yùn)算放大電路,簡稱集成運(yùn)放。隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展,集成運(yùn)放的性能不斷改善,種類也越來越多,現(xiàn)在集成運(yùn)放的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了信號的范圍,在電子技術(shù)的許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

在使用運(yùn)放時設(shè)計(jì)電路均將實(shí)際運(yùn)放視為理想運(yùn)放,采用了虛短、虛斷的概念進(jìn)行計(jì)算。電路如圖1所示,N點(diǎn)電位為uN,P點(diǎn)電位為up。運(yùn)放反相輸入端的電流iN,同相輸入端電流ip。所謂虛短、虛斷,即uN=up、iN=iP=0。根據(jù)這一原理由圖1,則有:

圖1 運(yùn)放電路圖

這就是典型的反比例放大電路。式(1)中負(fù)號“-”表示輸出電壓u0的相位與輸入電壓ui的相位相反,即“反相”。反相比例放大電路的電壓放大倍數(shù)僅僅取決于反饋電阻RF與輸入電阻R1之比,即:

與運(yùn)放內(nèi)部電路無關(guān)。而實(shí)際上整個電路工作起來與運(yùn)放電路內(nèi)部是有關(guān)的。所謂虛短、虛斷和實(shí)際的短路和斷路,即與實(shí)短、實(shí)斷是有區(qū)別的,實(shí)短是真正的短路,即N點(diǎn)電位與P點(diǎn)電位嚴(yán)格相等,也就是將N點(diǎn)與P點(diǎn)嚴(yán)格短路,同相輸入端、反相輸入端的電位差嚴(yán)格為0,如圖2所示。

圖2 實(shí)短電路圖

實(shí)斷是真正的斷路,同相輸入端、反相輸入端的輸入電流嚴(yán)格為0。如圖3所示。

圖3 實(shí)斷電路圖

在理論計(jì)算中虛短、虛斷使用了實(shí)短、實(shí)斷的基本概念,實(shí)際電路中的電參量的大小也與理論計(jì)算中的基本是一致的,但虛短、虛斷與實(shí)短、實(shí)斷是有區(qū)別的,為了徹底搞清其中的區(qū)別和聯(lián)系,特別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究電路,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 虛短和實(shí)短電路研究

虛短電路如圖4所示,實(shí)短電路如圖2所示將N、P兩點(diǎn)直接相連。

表2 虛斷、實(shí)斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖4 虛短電路圖

在對虛短電路的研究中,按虛短電路圖4對各元器件進(jìn)行連接,以信號發(fā)生器為信號源,由ui端輸入正弦信號,u0端輸出也是正弦信號。ui端、u0端分別接入雙蹤示波器,觀察其信號的波形。將電路調(diào)試正常,調(diào)節(jié)輸入信號ui的大小,且保證輸出信號u0波形不失真。用交流毫伏表分別測出N點(diǎn)電位、P點(diǎn)電位及輸出端u0的電壓,逐漸增大輸入信號ui得到不失真的輸出信號u0見實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1。

對實(shí)短電路的研究,如實(shí)短電路圖2所示,將N、P兩點(diǎn)直接相連,用交流毫伏表分別測量P點(diǎn)和輸出端u0的電壓;將芯片移除后再用交流毫伏表測輸出電壓,數(shù)據(jù)如表1所示:

表1 虛短、實(shí)短實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由數(shù)據(jù)表1中數(shù)據(jù)可看出在虛短的情況下,實(shí)際上uN、up兩點(diǎn)電位差值uN-uP在0.40mv—2.60mv之間,電路正常工作,整個電路之間的放大倍數(shù)保持在9.47—10.30倍,當(dāng)實(shí)短時uN嚴(yán)格等于up,電路已不正常工作,無放大能力,輸出電壓u0實(shí)際上是通過反饋電路RF由輸入端直通到了輸出端,運(yùn)放已徹底不起作用,將芯片移除后,輸出電壓隨輸入電壓增大而增大。

由上述可知,虛短電路中uN、up兩點(diǎn)電壓并不能相等,且電壓差值要在0.40mv—2.60mv之間,電路才能正常工作。實(shí)際若將uN、up兩點(diǎn)連接即實(shí)短uN=up,運(yùn)放芯片無輸入沒有工作,若此時將運(yùn)放芯片移走,輸出端與輸入端就只由反饋電路RF相連,輸出端點(diǎn)電壓u0小于輸入端電壓ui,且u0隨ui的變動而變動。

3 虛斷和實(shí)斷電路研究

虛斷電路如圖5所示,實(shí)斷電路如圖3所示,將N、P兩點(diǎn)與芯片的連接直接斷開。

圖5 虛斷電路圖

在對虛斷電路的研究中,按虛斷電路圖5對各元器件進(jìn)行連接,以信號發(fā)生器為信號源,由ui端輸入正弦信號, u0端輸出也是正弦信號。ui端、u0端分別接入雙蹤示波器,觀察其信號的波形。將電路調(diào)試正常,調(diào)節(jié)輸入信號ui的大小,且保證輸出信號u0波形不失真。用交流電流表分別接入N點(diǎn)、P點(diǎn)與芯片的連接點(diǎn)間,對電流iN、iP進(jìn)行測量。之后用交流毫伏表測出輸出電壓u0見實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表2。

對實(shí)斷電路的研究,如實(shí)斷電路圖3所示,直接將N點(diǎn)、P點(diǎn)與芯片的連接點(diǎn)斷開,即iN=iP=0;之后用交流毫伏表測出輸出端u0的電壓;芯片移除后,再次測出輸出端電壓u0,數(shù)據(jù)如表2所示:

由數(shù)據(jù)表2中數(shù)據(jù)可看出在虛斷的情況下,實(shí)際上iN、ip的電流差值iN-iP在-60.0μA—105.0μA之間,也就正是由于存在著這微小的電流差才使電路正常工作,整個電路之間的放大倍數(shù)保持在9.47—10.30倍。當(dāng)實(shí)斷時iN=iP=0,電路已不正常工作,沒有輸入信號進(jìn)入運(yùn)放芯片,無放大能力,輸出電壓u0實(shí)際上是通過反饋電路RF由輸入端直通到了輸出端,運(yùn)放已徹底不起作用,將芯片移除后,輸出電壓隨輸入電壓增大而增大。

由上述可知,虛斷電路中iN、iP電流并不能等于0,即iN≠iP≠0,且電流差值iN-iP要在-60.0μA—105.0μA之間,電路才能正常工作。實(shí)際若將iN、ip與芯片的連接點(diǎn)斷開,即實(shí)斷iN=iP=0,運(yùn)放芯片無輸入,沒有工作,若此時將運(yùn)放芯片移走,輸出端與輸入端就只由反饋電路RF相連,輸出端電壓u0小于輸入端電壓ui,且輸出端電壓u0隨輸入端電壓ui的變動而變動。

4 結(jié)束語

由以上分別對虛短和實(shí)短電路、虛斷和實(shí)斷電路的研究得出,虛短、虛斷和實(shí)短、實(shí)斷有著本質(zhì)的區(qū)別,在虛短電路中uN、up兩點(diǎn)的電壓并不相等,即并不滿足uN=up,且電壓差值uN-uP在0.40mv—2.60mv之間,芯片才正常工作;在虛斷電路中,電流iN、iP并不等于零,即并不滿足iN=iP=0,電流差iN-iP在-60.0μA—105.0μA之間,芯片正常工作;正是由于N、P兩點(diǎn)的電壓uN、up和電流iN、iP存在著這微小的差別才使芯片正常工作。其原因是運(yùn)放芯片本身的放大能力極大,一般在105以上,故而有一個微小的信號輸入,電路就能正常工作,而真正的實(shí)短、實(shí)斷電路中uN=up、iN=iP=0時,芯片已無輸入信號,故不能工作,此時與芯片移除時無異。而運(yùn)放電路在理論計(jì)算中虛短、虛斷使用了實(shí)短、實(shí)斷的基本概念,實(shí)際電路在工作中的電參量的大小與理論計(jì)算中的基本是一致的。其原因在于電路中有反饋電阻RF形成負(fù)反饋電路,起到了關(guān)鍵的作用。

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表2 補(bǔ)充增強(qiáng)信息類型

表2中,當(dāng)有效負(fù)載類型(payload type)為2時,補(bǔ)充增強(qiáng)信息(SEI)語法定義為Reserved_sei_Message語法定義。

加入了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息數(shù)據(jù)的SEI單元在H.264碼流中的形態(tài)如圖3所示:

圖3 加入了SEl的NALU序列

SEI單元可在任意完整的NALU單元之間插入,可以是每個IDR幀前插入,也可以在某個P幀或B幀前插入。

SEI單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如表3所示:

表3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息用戶數(shù)據(jù)的SEl內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息視頻碼流符合H.264的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,因此原有存儲和解碼設(shè)備無需改動即可使用。使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息規(guī)范的解碼平臺可從中提取并分析額外信息。

5 難點(diǎn)問題分析

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中部署增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),取得了幾大成效。第一,使用者在觀看時可以實(shí)現(xiàn)所見即所得,極大的解放了勞動力,提升了工作效率。第二,將視頻畫面的背景進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化描述,為大數(shù)據(jù)分析平臺提供了寶貴的數(shù)據(jù)源。

但是目前有兩大不足。第一,所有的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息必須人工添加,無法自動識別。這也是短期內(nèi)無法解決的問題。第二,人工添加時,同一處目標(biāo)會多次出現(xiàn)在不同的攝像機(jī)畫面中,每個畫面都需要單獨(dú)添加增強(qiáng)信息,不能復(fù)用。這個問題的解決方法是建立全球唯一實(shí)體三維坐標(biāo)庫。但現(xiàn)在受制于傳感器的精度,即使建立了全球數(shù)據(jù)庫,也無法精確定位。所以提升傳感器精度是必須跨越的技術(shù)門檻。

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