12.模拟信号处理与转换

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1、模拟信号处理与变换一、电压频率变换二、频率电压变换三、4-20mA电流变送四、电流电压变换五、光耦合隔离六、磁电变换一、电压频率变换如果变换器的输出信号频率与输入电压的大小成正比，则把这样的变换器称为电压—频率变换器，即V／F变换器。如果反过来，变换器的输出电压的大小与输入信号频率成正比，则成为频率—电压变换器，即F／V变换器。由于频率信号在信号传输和运算过程中失真和误差小，因此V／F和F／V变换器得到广泛应用。在交流变频调速中，变频器也是一种电压—频率变换装置，它用0-10V电压控制变频器输出频率，不过现今的变频

2、器都是采用微处理器实现的，结构复杂。本节将介绍V／F、F／V变换的一般原理及其应用的例子。V／F变换的基本原理是用一个模拟电压去控制一个振荡器的振荡频率，这种频率受外加电压控制的振荡器被称为压控振荡器，简称VCO。因此V／F变换的根本问题是压控振荡，压控振荡器输出波形可以是矩形波、三角波，也可以是正弦波。在许多情况下V／F变换器的输出被接到数字处理系统上，因此希望变换器的输出为矩形波或脉冲波，本节主要介绍这类压控振荡器。在有些场合，如变频系统则希望采用正弦波，正弦波压控振荡器的电路相对要复杂一些，这方面可参阅有关资

3、料。（一）压控振荡器工作原理图l是一个简单的压控振荡器电路图和工作波形图，它由一个反相积分器和一个滞回比较器组成，输入电压UI必须大于零。设某时刻比较器输出uO为正，因此VT截止，积分器进行负向积分，积分速率与输入电压UI成正比，随着负向积分，uO1下降，比较器的同相输入端电压u＋2也不断下降。当u＋2下降到0V，比较器开始进入转折，由于滞回反馈的作用，比较器迅速翻转，uO从+VZ跳变到－VZ，于是VT导通，积分电容通过VT迅速放电并进入反向充电，积分器进入复位阶段。由于放电电流足够大，因此uO1和u＋2迅速上升，

4、直到u＋2上升到0V，比较器又一次翻转，再次进入反相积分，开始一个新的循环，产生了自激振荡。各部分的波形如图l—l(b)所示。振荡频率与输入电压UI的关系分析如下：首先考虑反相积分时间T1，在[t1,t2]区间，有:由于当t＝t1时，uo1

5、t1=Uo1m；当t＝t2时，uo1

6、t2=－Uo1m，所以：（1－1）这里Uo1m是uo1的峰值电压，发生在比较器转折点，因此：（1－2）代入式（1－1），得：（1－3）现在考虑积分器复位时间T2，与上述推导方法相似，不难得出：（1－4）在式（1－3）和式（1－4）中：当取，

7、则，于是，因此：图1简单压控振荡器振荡频率为：（1－5）此式表明输出电压uo的频率f与输入电压UI成正比，如图1(c)所示。在本例中R1＝100kΩ，R4＝R6＝10kΩ，C＝0.0μF，VZ=5V，所以：即该变换器的变换系数为100Hz／V。以上的电路结构比较简单，但由于复位阶段放电电流受Al输出能力限制，T2不可能无限减小，所以误差较大，特别在高频段误差更大。(二)集成V／F变换器LM331简单的压控振荡器实现的V／F变换存在精度低、频率范围窄的缺点，精密的压控振荡器电路比较复杂，而LM331是一种价廉的精密集

8、成V／F变换器件，其线性误差小于0.01％，最高频率可达l00kHz，由于大部分功能电路集成在芯片中，所以外接元件较少。LM33l的原理框图如图2所示，图中虚线为外部接线，Ro、Rs、RT、RL、CT、CL是外接元件，主要是定时阻容元件。LM331中的基准源产生一个稳定的l.9v基准电压VREF，经过A1和VT2把脚2的电位也钳在1.9V，于是镜象电流源的设定电流I2为：从脚1流出的I1是I2的镜像电流，因此：（1－6）上式表明通过调节外接电阻RS，可以改变I1的大小，即改变了对电容CL的充电电流大小，这将会直接影

9、响输出电压频率的量程。当然I1能否从脚1流出还要取决于电流开关SA的位置。LM33l的另一个关键电路是以R—S触发器为中心的定时比图2LM331原理框图较电路，当脚7电压UI高于脚6时，输入比较器A2的输出使R—S触发器置位，它的输出端Q打开输出晶体管VTl和电流开关SA(SA与脚1接通)，Q-端关闭复位晶体管VT3，于是镜象电流I1向电容CL充电，同时VCC通过RT向电容CT充电。当脚5的电压(即CT两端电压)上升到2/3VCC时，定时比较器A3翻转，使触发器复位，一方面Q端关闭输出晶体管VTl和电流开关SA(S

10、A与脚2接通)，另一方面Q-端使复位晶体管VT3导通，于是CT通过VT3迅速放电。CL则通过RL放电，当脚6的电压(即CL两端电压uCL)降到略低于脚7的电压时，则触发器再次被置位，开始一次新的循环，如此周而复始，在脚3输出一个频率为fo的脉冲电压信号uo。这里要指出的是当脚5电压升高到2/3VCC时，如果脚7电压仍高于脚6，则触发器不会复位，Il继续向CL