12.模拟信号处理与转换

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 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 t1 Uo1m 当 t t2 时 uo1 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 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 100k R4 R6 10k C 0 0 F 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 2 LM331 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 SA 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 充电 直到 CL 上电 压 uCL 略高于脚 7 电压 UI 时 触发器才复位 不过这种情况只发 生在初始条件下和 UI 发生跳变情况 一旦 CL 上电压上升到 UI 之 后 就进入正常的充放电交替过程 此后脚 6 的电压在脚 7 电压附 近波动 在进入稳态后 LM331 的输出频率 fo 与输入电压 UI 之间是什 么样的关系呢 根据以上分析可以知道 进入稳态后 CL 两端电压 uCL 稳定在 UI 附近波动 即 1 7 因此充电期间向 CL 充入的电荷总量 Qc 与放电期间 CL 放出的电荷 总量 Qd 必须相等 这是以下分析的出发点 设电流开关接通时间 为 TC 即 CL 充电时间 它与定时回路 RTCT 有关 在 CT 充电阶 段中 CT 两端电压为 当 CT 充电到临界电压 2 3VCC 时 于是 1 8 在 TC 期间 I1 向 CL 充电电荷为 1 9 电流开关关闭时间为 1 10 电流开关关闭 CL 放电 期间 CL 释放的电荷为 1 11 由于 QC QD 根据式 1 9 和式 1 11 得 将式 1 6 和式 1 8 代入上式 得 1 12 式 1 12 说明 LM33l 的输出频率与输入电压大小成正比 变换系数 为 图 3 是用 LM331 组成的 10v l0kHz 的变换电路 与图 2 相比 增加了增益调节和失调调节 通过调节电位器 RP2 来改变 R5 使变 换系数为 lkHz V 调节 RP2 可以修正输入失调 起到调零的作用 输入端加有电阻 RI 为的是使输入比较器的脚 7 和脚 6 输入电阻平 衡 减小输入失调电流的影响 C1 和及 R1 一起组成低通滤波 从 前面的分析知道阶跃的输入电压会引起输出频率的间断 所以输入 加一个低通滤波器减小输入电压变化的斜率是必要的 输出管 VT1 集电极开路 所以外接的输出电阻 Ro 可接到不同的电源电压下 本例中接到一个十 5v 的逻辑电源上 便于与后面的数字电路连接 为保证变换的精度 图 3 中的 CL CT 应采用低介质损耗的电容 RT RL Rs 应采用低温度系数的电阻 图 3 电路的非线性误差可以达到土 0 03 能满足一般工业要 求 对于精度要求更高的场合 可以通过改进外部的电路结构组成 非线性误差达到土 0 01 的 10V 10kHZ 的精密 V F 变换器 图 3 10V 10kHZ 的 V F 变换器 二 频率电压变换 F V 变换即频率 电压变换 最容易实现的方法是脉冲频率调 制 PFM 法 这种方法的基本点是在固定脉冲宽度的前提下 当改 变脉冲频率时 其输出电压的大小与频率成正比变化 可用图 4 的 原理框图和波形图作扼要说明 脉宽定时电路把输入信号的脉冲电 压 u1 变换成恒定脉宽信号 up 低通滤波器的输出电压 UO 等于脉 冲电压 up 的平均值 而 up 的平均值为 1 96 图 4 F V 变换原理 其中 Upm 为 up 的幅值 TP 是 up 的脉宽 这两项都为常数 fI 1 T 是输入信号频率 因此 UO 与频率fI 成正比 从上述分 析可以看出 高精度的脉宽定时和高稳定的脉冲电压幅度是 F V 变换的关键 分析 LM331 内部结构不难发现 LM331 包含了一个脉宽定时电 路 所以用 LM331 也可以构成 F V 变换器 如图 4 所示 它的变 换精度可达土 0 06 工作原理分析如下 输入频率信号电压 u1 的下降沿经过输入微分电路 RI CI 得到 一个负向微分脉冲电压 加到 LM331 的脚 6 输入比较器翻转 使 R S 触发器置位 触发器 Q 端打开电流开关 SA Q 端关闭复位晶 体管 VT3 于是镜象电流源 I1 流入电阻 RL 形成脉冲电压 I1 RL 同时 VCC 通过 RT 向电容 CT 充电 定时开始 根据式 1 6 可知 脉冲电压幅值为 图 4 10kHz 10V 的 F V 变换器 根据式 1 91 脉冲宽度为 进一步由式 1 96 得 如果容量足够大的电容 CL与 RL并联 则构成了最简单的低通滤波 器 于是得到稳定输出 1 97 其中是 F v 变换系数 与式 1 95 比较可以 发现 v F 和 F v 变换系数互为倒数 显然它们互为逆变换 这里 要注意两个问题 一是输入微分电路的时间常数不要过大 一定要 保证负向微分脉冲宽度小于 1 1RTCT 否则影响定时精度 二是 F v 的频率响应比 v F 要慢得多 特别当要求比较平滑的输出电 压 Uo时 不得不加大滤波电容 CL 或采用高阶低通滤波 使输出 频率响应变得更慢 三 4 20mA 电流变送 一 基本电路原理 图 1 7 是最简单的电压 电流变换器 输入电压为 UI 输出 电流为 IO RL 是负载电阻 根据深负反馈条件下运算放大器工作 原理不难分析如下 图 1 7 式 1 10 式 1 10 中 R 是电流取样电阻 变换系数为 1 R R 的值可根据 UI Uo 的量程确定 Io 与 UI成正比 而与负载电阻 RL无关 也就 是说这个变换器有很强的负载能力 从反馈的角度看 这是一个深 度负反馈电路 RI的作用只是为了平衡运放输入两端的电阻 一般 可 RI R RL 有时也可不用 该电路原理很简单 但在应用时必须注意以下两个约束条件 1 运算放大器有较大的共模输入电压 其大小就是 UI 因此 UI应小于运放的最大共模输入电压 Uicm 即 如果 UI的最大值太大 应经分压器衰减后再输入 2 从式 1 10 表面上看 IO与 RL的大小无关 但事实上 RL不 能过大 更不能开路 因为运放的最大输出电压 Uopp受它的工作电 压饱和压降限制 RL不能无限大 当 运放进入非线性区 式 1 10 就不能成立 因此必须满足 1 l 2 其中 Iomax和 RLmax分别是 Io 和 RL的最大值 图 1 7 电路的输出电流 Io 的最大值受运放的输出能力限制 图 1 8 的电路则采用复合晶体管来扩展输出电流 VT1 采用场效应 管 其栅极电流可忽略不计 保证 Io IR 以满足式 1 10 的变换 关系 VT2 是功率三极管 最大功耗发生在 Io 达到最大 而 RL 0 的情况 因此选择 VT2 时要满足 1 13 注意这个电路只能单向工作 即 Ui 必须大于零 而图 1 7 的电路 允许 Ui 为负值 图 1 8 具有大电流输出能力的电压 电流变换器 二 4 20mA 电流变送 与电流 电压变换器一样 在某些场合下要求输入或输出不从 零开始 例如信号发送端常要把 0 5v 电压信号变换成 4 20mA 电 流信号 变换特性如图 1 11 a 所示 在这种情况下 R 仍依据式 1 7 计算得 R 312 5 零点则用加偏置的方法调整 不过由于电 压 电流变换器中的运放输入端都不是虚他的 所以把偏置直接加 到变换器上比较困难 如果把偏置电路和变换器分开考虑就简单了 图 1 11 b 电路就是如此 AI 相 A2 构成偏置电路 A3 是与图 1 7 相同的电压 电流变换器 根据图 1 11 a 的特性曲线可得直线方 程 设 这是一个求和运算 图 1 11 b 中 A1 和 A2 完成了这功能 这个偏 置电路也可采用同相求和电路 这样可以省一个运放 但是一旦要 修 改其它参数时 不如反相求和电路方便 A3 组成的变换器部分也可 以用图 1 8 电路代换 如果图 1 11 b 电路中运放采用 LF412 在电源电压为土 15V IL 20mA 时 它的最大输出电压 UOPP 土 10v 则 RL 的最 大值可以按式 1 12 确定 即 RL 允许在 0 187 5 之间变化 如果想加大 RLmax可用减小 R 的 办法来实现 但同时应对 Ui 进行衰减 假设把图 l 11 b 电路中 R 改为 312 5 2 156 25 R7 改为 10k 2 5k 其它条件不变 则 RLmax可增大到 343 75 而变换关系保持不变 四 电流电压变换 一 基本电路原理 图 1 2 a 是一个带有运算放大器的有源电流 电压变换器的电 路图 根据深负反馈条件下运算放大器输入端虚短和虚断原理 因此 1 5 图 1 2 基本电流 电压变涣器 其中 Ii 是变换器的输入电流 Uo 是变换器的输出电压 R 是变换系 数 或称作变换器增益 负号表示输出与输入的相位互为反相 图 1 2 b 是变换特性曲线 它是过原点的斜率为 R 的直线 若要得到 同相变换关系 只需要在输出端再加一级反相跟随器 如图 1 3 所 示 其变换式为 1 6 显然这样的电路弥补了图 1 1 简单电路的不足 图 1 2 和图 1 3 的电路具有带负载能力 带负载能力基本上取决十运算放大器 本身的输出能力 另外输入端的电压 也就是说变换 器的等效输入电阻为 图 1 3 同相电流 电压变换器 这对于电流信号原来说是理想的 因为对那些内阻不是无穷大的电 流源来说 Ri 越小影响就越小 例如大多数 D A 变换器是以电流 形式输出的 所以通常要另加电流 电压变换器 变成电压信 号 为了保证精度要求 希望这个变换器的输入电阻等于零 因此 常采用图 1 2 a 的电路 变换系数及是变换器的重要参数 R 的大小由变换器的输出量 程来决定 设输入电流范围为 对应的输出电压范围为 则 1 7 在大多数情况下 取 Imn 0 Umin 0 那么式 1 7 简化为 1 8 对于一个 0 1mA 0 5V 的变换器 则 为保证变换器的稳定性 R 应选择低温度系数的精密电阻 在选择运放时 应注意对于微电流信号的变换一定要选用低输 入偏爱电流的运算放大器 否则在图 1 2 a 中的与信号电流 Ii 相比就不能忽略不计 使变换精度大大下降 例如某变换器的输入 电流范围为 0 10uA 应选用 CA3140 F3140 等高阻型运放而不要 选用 uA74l F007 等 因为 CA3140 的最大输入偏置电流仅为 50pA 而 uA741 的最大输入偏置电流可达 0 3uA 对 10uA 量程的 输入信号电流来说 前者可以忽略不计 后者则不行 将使变换误 差大大增加 二 特性曲线不过原点的电路 在某些情况下 可能要求 或 例如把 4 20mA 变成为 0 5V 电压信号 这个变换持性可用图 1 5 a 的特性 曲线描述 它是一条不过原点的直线 它可用式 1 9 的直线方程 表示 1 9 R 是变换系数 也是特性曲线的斜率 R 也可以用式 1 7 直接计算 结果相同 式 1 9 中 Ii 4 表示 Ii 和 4mA 相加 因此可用求和电路实 现 也就是说要在输入端加一 4 mA 偏置电流 最终的电路如 图 1 5 b 所示 当然也可以把偏置加列 A2 上 方法很多 如果 也可以通过调整偏置的大小来满足 读者可根据求和电 路基本原理自行设计满足各种变换要求的电路 图 1 5 b 电路中运 放 A1 在选型时要考虑其负载能力大于 20mA LF412 能满足这要求 并且是低输入偏置 低失调的运放 因此是比较适宜的 图 1 5 4 20mA 0 5V 交换器 五 光耦合隔离 光耦合器件是一种光作为信号传递媒介的耦合器件 它的基本 工作原理与物位光电检测和红外遥控相同 都是用发光器件把电信 号变换成光信号 光信号被传递给接收端 由光敏器件把光信号变 换成电信号 不同之处在于光耦合器件是把发光器件和光敏器件封 装在一个外壳中 一个器件完成了电 光 电变换 由于输入到输出的信号传递是靠光完成的 没有电磁联系 并 具有单向传递的特点 因此具有理想的电磁隔离性能 能十分有效 地防止各种电磁噪声于扰 所以光耦合器件也称作光隔离器件或光 电耦合器件 光耦合器除了具有良好的隔离性能 还具有体积小 寿命长 无触点 既能传输交流信号又能传输直流信号等优点 因 此被广泛用于高低压之间的隔离和控制信号与强电信导之间的隔离 包括信号传输线 继电器驱动 工业控制设备 计算机外设等各个 方面 一 带 V F 和 F V 变换的线性隔离放大器 图 1 带 v F 和 F v 变换的线性隔离放大器 图 1 是一种带 V F 和 F V 变换器的线性隔离放大器原理框图 它是一种电压 频率 电 光 光 电 频率 电压变换器 输入 电压 Ui 经过 v F 变换 变成频率信号 经过光耦合到 F v 变换器 再变成电压 Uo 输出 在这里光耦合器传输的是频率信号 在传输过程中频率不会发 生失真 而信号幅度和波形的失真都是无关紧要的 因此整个电路 特性只与 v F 和 F v 变换器有关 关于 v F 和 F v 变换原理已 作了说明 V F 和 F v 变换比较容易达到影较高的精度和稳定性 所以这种隔离放大器具有良好的线性度和稳定度 二 典型的 TTL 电路之间的光耦合接口 图 2 是用来传输脉冲信号的光耦合电路 Gl 作为光耦合 器的输入驱动门 由于 TTL 电路低电平输出负载能力较强 所 以一般都采用低电平驱动 当 Gl 输出为低电平时 IF 流入 Gl IF 的大小由 RD 决定 当 G1 输出为高电平时 G1 只能往外拉电流 因 此 IF 0 G2 作为光锅台器输出信号整形门 由于光敏三极管输出 的开关时间比较大 tr tf 在微秒级 因此输出整形是必要的 必要 时还可采用多级整形或施密特整形 图 2 数字光藕合接口电路 三 继电器控制电路 继电器的触点能承受较高电压和较大电流 过载能力强 在工 业控制设备中仍具有重要地位 但继电器触点和线圈的通断都会产 生很强的干扰信号 因此在数字设备中常用光耙合器把继电器和控 制电路隔离开来 图 3 是用光耦合器驱动继电器的典型电路 图 3 继电器控制电路 四 光耦合器在晶闸管电路中的应用 晶闸管被广泛用于可控整流 交流调压 无触点开关等电路中 在这些应用场合 晶间管大多被直接连接在交流 220V 或 380V 的动 力线路中 从安全角度必须与控制电路隔离 另外晶闹管在导通相 关断时都可能产生瞬时尖峰电压 特别在移相触发电路中 交流谐 波成分大大增加 这些都形成了很大噪声干扰 因此从抗干扰的角 度 也必须采取隔离措施 过去传统技术采用隔离变压器 现在采 用光耦合器隔离 对电磁干扰的隔离更为有效 这对于日益发展的 计算机控制系统具有重要的意义 另外采用光耦台器可以非常容易 地得到宽触发脉冲 并具有可靠 体积小等优点 图 4 是一个用光 耦合器触发的小功率单相半波可