第六章信号线性变换

1、第第6 6章章 信号线性变换信号线性变换 6.1 概述概述 6.2电压电压/电流变换器（电流变换器（VCC） 和电流和电流/电压变换器（电压变换器（CVC） 6.3波形变换波形变换6.4电压电压/频率变换（频率变换（VFC） 与频率与频率/电压变换（电压变换（FVC） 本章学习要点1. 信号线性变换的条件与结果；2. 信号线性变换的应用；3. 各种电压/电流变换电路的特点与设计；4. 各种电流/电压变换电路的特点与设计；5. 波形变换电路的设计及应用；6. 电压/频率变换与频率/电压变换的原理、电路设计与应用。6.1 概述概述 在信号的测量、处理、传输、记录与显示以及控制等领域中，为了抗干扰、

2、提高传输效率和满足不同设备及电路联结等需要，广泛地应用各类信号变换技术。 信号变换的分类按变换的方式分：按变换的方式分：线性变换：线性变换：线性变换是采用线性电路来完成的，线性变换只能改变信号频谱分量的相对大小，而不会产生新的频率成分。某些波形变换、电压电流变换可依靠线性变换电路来完成。 非线性变：非线性变：非线性变换是采用非线性电路来完成的，利用非线性电路可以实现频率变换，例如混频、分频和倍频等。信号的非线性变换主要应用于信号的传输方面，特别是信号的远距离传输，也就是信号的遥传。 按信号变换的内容分：按信号变换的内容分：电量与非电量间的变换、模拟量与数字量间的变换、电压（或电流）与频率（或时

3、间）间的变换、交流与直流间的变换、功率变换、波形变换频率变换（包括变频、各类信号调制及解调、倍频与分频）等。 信号线性变换电路的一般要求 1. 输出信号与输入信号成线性关系；2. 有足够高的输入阻抗。这里的输入阻抗指广义输入阻抗，也即信号变换电路对信号源或前级电路的影响要足够小，不至于使信号源或前级电路的状态产生过大的改变以至于影响测量结果；3. 有足够的驱动能力和动态范围；4. 满足应用的其他要求。如电源、功耗、频率以至于工艺、成本等等的要求。6.2 电压电压/电流变换器（电流变换器（VCC）和电流和电流/电压变换器（电压变换器（CVC） 6.2.1 电压电压/电流变换器（电流变换器（VCC

4、） 电压电压/电流变换器（电流变换器（VCC）用来将电压信号变换为与）用来将电压信号变换为与电压成正比的电流信号。电压成正比的电流信号。用途：用途： 常用作传感器或其他检测电路中的基准（参考）恒流源，常用作传感器或其他检测电路中的基准（参考）恒流源， 在磁偏转的示波装置中常用来将线性变化电压变换成扫在磁偏转的示波装置中常用来将线性变化电压变换成扫描用的线性变化电流描用的线性变化电流 在控制系统中作为可控电流源驱动某些执行装置，如记在控制系统中作为可控电流源驱动某些执行装置，如记录仪记录笔的偏转和电流表的偏转。录仪记录笔的偏转和电流表的偏转。VCC按负载接地与否可分为负载浮地型和负载接地型两类。

5、按负载接地与否可分为负载浮地型和负载接地型两类。 一、负载浮地型电压一、负载浮地型电压/电流变换器电流变换器1RuiiILI特点：要求信号源和运算放大器都能给出要求的负载电流特点：要求信号源和运算放大器都能给出要求的负载电流值，这是由于信号值，这是由于信号UI加于运算放大器反相输入端所造成的。加于运算放大器反相输入端所造成的。 1RuiiILI特点：信号接于运算放大器的同相端，由于同相端有较高的输入阻抗，因而信号源只要提供很小的电流。 3RFLiii1RuiiIIF31233RRRuRuiIOR)1 (3213121RRRuRRRuRuiIIIL特点：特点： 调节R1、R2和R3都能改变VCC

6、的变换系数，只要合理地选择参数，电路在较小的输入电压UI作用下，就能给出较大的与UI成正比的负载电流 负载电流大部分由运算放大器提供，只有很小一部分由信号源提供，对信号源影响小。 该电路要求运算放大器给出较高的输出电压。 11RuiiIL 特点：特点： 由于采用了三极管T来提高驱动能力，其输出电流可高达几安培，甚至于几十安培。 采用同相输入方式，具有很高的输入阻抗，信号源只要提供很小的电流。 当负载ZL的阻抗值较高时，电路中的运放仍然需要输出较高的电压。 该电路只能用于ui 0的信号。 大电流输出电压/电流变换器 为晶体管T的直流电流增益。选用值较大的晶体管，可有1，则 1111RuiiIL1

7、RuiIL大电流和高电压输出电压/电流变换器 特点：特点： 可以满足负载ZL的阻抗值较高时需要较高输出电压的要求，该电路同时也能给出较大的负载电流。 由于采用同相输入方式，也具有很高的输入阻抗。 电路应选用值较大的晶体管才能得到较高的精度。 该电路只能用于ui 0的信号。二、负载接地型电压二、负载接地型电压/电流变换器电流变换器)1 (11RRuRRuuFLFIO)/(/232LLOLLLZRRZRuZiu31231RZRRZRRRRuiLFLFIL231RRRRF若取2RuiIL则特点：特点：该电路既可以在负载接地的情况下得到很高的变换精度，又具有很高的工作稳定性。6.2.2电流电流/电压变

8、换器（电压变换器（CVC） 电流电压变换器（电流电压变换器（CVC）用来将电流信号变换为）用来将电流信号变换为成正比的电压信号。成正比的电压信号。 用途：用途： 可作为微电流测量装置来测量漏电流；可作为微电流测量装置来测量漏电流； 或在使用光敏电阻、光电池等恒电流传感器的场合，或在使用光敏电阻、光电池等恒电流传感器的场合，是一个常见的光检测电路；是一个常见的光检测电路； 可作为电流信号的相加器，这在数字模拟转换器中可作为电流信号的相加器，这在数字模拟转换器中是一种常见的输出电路形式。是一种常见的输出电路形式。 SBSFIiIiFSORIu特点：特点： 运算放大器的输出阻抗很低，那么可用一般的电

9、压表在输出端直接测定输入电流值大小，其变换系数就是RF值。若被测电流IS很小，为了要有一定的输出电压数值应该取较大的RF值，但RF值越大，必然带来两个问题：一是大阻值的电阻不容易找到，精度也差；二是输出端的噪声也越大。 改进：改进： 采用“T”型电阻网络替代大阻值电阻，这时可采用较小阻值的电阻； 为了要降低噪声，在电阻RF的两端并接一个小电容来解决，且该电容本身的漏电流应足够小。 221)(RRRRIuFSO密勒定理iOKuuRuRuuiOiKRR1密勒定律的讨论与启示：密勒定律的讨论与启示： 引入运放，可达到测量精度与灵敏度的统一。引入运放，可达到测量精度与灵敏度的统一。 设计高精度、高灵敏

10、度电流设计高精度、高灵敏度电流/电压变换电路选择运算放电压变换电路选择运算放大器时不仅要求运放的输入阻抗高、偏置电流小，还要大器时不仅要求运放的输入阻抗高、偏置电流小，还要求运放有尽可能高的增益。求运放有尽可能高的增益。6.3 波形变换波形变换 6.4电压电压/频率变换与频率频率变换与频率/电压变换电压变换 用途：用途：电压电压/频率变换电路（频率变换电路（VFC）应用十分广泛，在不同的应用领域有不）应用十分广泛，在不同的应用领域有不同的名称：同的名称：在无线电技术中，它被称为频率调制（FM）；在信号源电路中，它被称为压控振荡器（OSC）；在信号处理与变换电路中，它又被称为电压/频率变换电路和准模/数转换电路。电压电压/频率变换电路与频率频率变换电路与频率/电压变换电路是一对变换电路，经常相伴电压变换电路是一对变换电路，经常相伴出现。相对应的频率出现。相对应的频率/电压变换电路也有几种不同的名称：电压变换电路也有几种不同的名称