第四章 信号的转换与调理

第四章检测系统中信号的转换与调理第一节信号的放大与隔离第二节调制与解调第三节滤波电路第四节信号变换电路第五节线性化1便于信号的传输与处理信号转换与调理的目的：

1.传感器输出信号很微弱，无法直接驱动显示记录仪表，需要进行放大。

4.能量转换型传感器输出的是电信号，但混杂有干扰噪声，需要进行滤波，提高信噪比。2.传感器输出信号不仅微弱，而且变化缓慢(频率低)，若用交流放大器放大，需要进行调制解调处理。

3.能量控制型传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理(电桥)。

5.传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须进行A/D转换；为了实现远距离传输，必须进行V/I或V/F转换。第一节信号的放大与隔离3一、测量放大器在典型的工业环境中，传感器到放大器的距离有时在3m以上，为了测量由远距离处的传感输送的低电平信号，采用的放大器就应有足够的共模抑制比、电压增益、输入阻抗和稳定性。共模信号和差模信号是指差动放大器双端输入时的输入信号。共模信号：双端输入时，两个信号同相。差模信号：双端输入时，两个信号的相位相差180度。任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。放大器的性能要求：开环增益足够大，闭环增益可调；输入阻抗高(与传感器输出阻抗相匹配)，输出阻抗低；共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc；足够的带宽和转换速率；漂移小、噪声低、输入失调电压低、输入失调电流小。1.反相放大器特点：性能稳定，但输入阻抗低。而且提高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾。R3UiR1R2∞A-++Uo（一）测量放大器电路原理特点：输入阻抗高，但精度低，易受干扰。

2.同相放大器R2R3UiR1∞A-++Uo3.差动放大器取R1=R3，R2=R4，则R3UoR4Ui2R1R2Ui1∞+-+AUid=Ui2﹣Ui1

Uic=(Ui1+Ui2)/2特点：CMRR高，但输入阻抗较低，增益调节困难。4.仪用放大器A1A2：两个对称的同相放大器，以提高输入阻抗；A3：差动放大器，以抵消前级的共模干扰，而且还将双端输入转换为单端输出，适应对地负载的需要。（二）集成测量放大器1、典型的程控仪用放大器集成电路芯片AD521,AD522，AD612，AD614,AD620，AD623：美国AD公司生产INA114/118：BB公司生产的高精度仪用放大器。MAX4195/4196/4197：MAX公司生产2、仪用放大器的工作原理仪用放大器是在运算放大器的基础上演变而来的模拟集成专用器件，其内部有如图4-1所示的三运放结构。INA114集成仪用放大器为例说明仪用放大器的工作原理。INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小,精度高,价格便宜.如图4-2所示，为INA114的内部结构图：参考电压输出端通常接地，为了确保良好的共模抑制比，连接低阻抗，如果一个5欧的电阻串联在此引脚，将引起共模抑制比下降80dB可以看到：R1=R2=R3=R4=25K，所以，INA114的输出为：

应当注意的是，由于电路存在共模电压，应当选用共模抑制比较高的集成运放，才能保证一定的运算精度。

案例：INA114与测量电桥的连接RPUoINA11418327654+5V-5V案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用光功率自动控制电路的作用：克服供电电源波动或光源老化等因素的影响，确保光源输出功率稳定。当激光器LD因某种原因功率增大时，耦合至光敏二极管PIN的光电流也同比例增大，从而使电阻R1上的电位升高。此时INA114的输出电压Uo降低，即U1也降低，流过LD的电流I也相应降低，从而达到降低LD辐射功率。二、隔离放大器隔离放大器是指输入、输出、电源、电流和电阻上彼此隔离，使输人与输出间没有直接耦合的测量放大器。隔离放大器具有以下特点：（1）能保护系统中器件不受高共模电压损害，防止高压对低压信号系统的损坏；

（2）泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏置电流回路；

（3）共模抑制比高，能对直流和低频信号准确安全地测量。16隔离放大器由输入部件、调制与解调部件、耦合部件和输出部件组成模块结构。隔离放大器的耦合方式主要由：变压器耦合和光电耦合。在强电或强磁干扰的环境中，有静电耦合、电磁耦合及接地回路的干扰。所以除了将模拟信号先经低通滤波器滤掉高频干扰，还必须合理接地，并将放大器加上静电屏蔽和电磁屏蔽，称作隔离放大技术，具有这种功能的放大器称作隔离放大器。（一）光耦合器件

目前用的较多的是利用光来耦合信号。用光来耦合信号的器件叫光电耦合器，其内部有作为光源的半导体发光二极管和作为光接收的光敏二极管或三极管。图4-3给出了常见的几种光电耦合器的内部电路。iFiOiFiO()iFOiceiFiOec图4-4所示为采用光电耦合器的光电隔离放大器。前级电路把输入电压信号转换成与之成正比的电流信号，经光电耦合器耦合到后级，光电耦合器中的硅光敏三极管输出电流信号，运放A2把电流信号转换成电压信号。VCCVCCA1ViR2R1A2R3TOEVOE图4-5中的电路采用两个光电耦合器，这样可得到较高的线性。图4-6所示为284型隔离放大器电路结构图。采用调制式放大方式，其内部分为输入、输出和电源三个彼此完全隔离的部分，并且由低泄漏高频载波变压器耦合在一起。这样可以提高微电流和低频信号的测量精度，减少漂移。20（二）变压器耦合器件

隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等几部分组成，如图4-7所示。图4-8为隔离放大器的电路符号。三、程控增益放大器在实际电路中，往往需要分段改变放大器增益。把RW换成阻值不同的若干个电阻并用开关切换，就成了实际电路中常用的可变增益放大器。图4-10给出了同相可变增益放大器的实用形式（请注意模拟开关的公共端接地或输出端，目的是减少模拟开关漏电的影响）。现代测控系统都是采用微处理器或微控制器作为系统的控制核心，因而可变增益放大器总是采用数控放大器的形式。用模拟开关代替图4-10中可变电阻或波段开关可得到数控增益放大器。如图4-11、4-12所示。集成化的可变增益放大器有很多品种。单端输入的可变增益放大器有PGA100、PGA103；差动输入的可变增益放大器有PGA204、PGA205等等。程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在智能仪器中，可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。图4-13程控放大器原理框图第二节调制与解调一些被测量，如力、位移等，经过传感器变换以后，常常是一些缓变的电信号。从放大处理来看，这类信号除用直流放大外，目前较常用的还是先调制而后用交流放大。所谓调制就是使一个信号的某些参数在另一信号的控制下而发生变化的过程。前一信号称为载波，一般是较高频率的交变信号，后一信号（控制信号）称为调制信号，最后的输出是已调制波。已调制波一般都便于放大和传输。最终从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。实际上，许多传感器的输出就是一种已调制信号，因此调制一解调技术在测试领域中极为常用。

25调制与解调目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。

根据载波受调制的参数的不同，调制可分为调幅（AM）、调频（ƒM）和调相（PM）。使载波的幅值、频率或相位随调制信号而变化的过程分别称为调幅、调频或调相。它们的已调波也就分别称为调幅波、调频波或调相波。先将微弱的缓变信号(被测信号)用高频载波加载到高频交流信号中，然后用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大的缓变信号。一、调幅及其解调（一）原理调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。现以频率为ƒ0的余弦信号作为载波进行讨论。若以高频余弦信号作载波，把信号x（t）和载波信号相乘，其结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载波频率ƒ0处，其幅值减半，如图4-16所示。所以调幅过程就相当于频谱“搬移”过程。29被测信号调幅高频调幅信号放大放大高频调幅信号解调放大被测信号1.抑制调幅:直接将高频载波与被测信号(调制波)相乘，使载波信号的幅值随被测信号而发生变化。抑制调幅与同步解调过程(波形分析——时域分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)xo(t)抑制调幅与同步解调过程(频域分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)xo(t)若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再二次进行“搬移”，其结果如图4-16所示。若用一个低通滤波器滤去中心频率为2ƒ0的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（只是其幅值减小为一半，这可用放大处理来补偿），这一过程称为同步解调。“同步”指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。抑制调幅与同步解调过程(数学分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)xo(t)

2.非抑制调幅:

把被测信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压，然后再与高频载波相乘得到调幅波。A非抑制调幅波形分析：非抑制调幅的解调低通滤波二极管检波(包络检波)调幅波的波形失真：（1）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180o。（2）重叠失真：抑制调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成。当载波频率f0较低时，正频端的下边带将与负频端的上边带相重叠。要求：

f0＞10fm

00y(t)xo(t)3.相敏检波作用：（1）同步解调（2）判断极性当y(t)>0时，V1截止，V2导通，运算放大器A2的反相输入端接地，调幅波xm(t)从A2同相输入端输入。当y(t)>0时，V1截止，V2导通，运算放大器A2的反相输入端接地，调幅波xm(t)从A2同相输入端输入。当y(t)<0时，V1导通，V2截止，运算放大器A2的同相输入端接地，调幅波xm(t)从A2反相输入端输入。

当x(t)>0时，调幅波xm(t)与载波y(t)同频同相，相敏检波器输出xo(t)为正。当x(t)<0时，调幅波xm(t)与载波y(t)同频反相，相敏检波器输出xo(t)为负。波形分析：差动电阻、电容、电感传感器后接仪表方框图二、调频及其鉴频调频是利用被测信号x(t)的幅值控制高频载波的频率，即调频波是一种随被测信号x(t)的幅值而变化的疏密程度不同的等幅波。调频实质是电压-频率转换的过程。1.调频原理调频（频率调制）是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。当信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波，如图所示。45调频波的瞬时频率可表示为式中f0—载波频率，或称为中心频率；Δf—频率偏移，与调制信号x（t）的幅值成正比。实现信号的调频和解调的方法甚多，下面介绍两种仪器中常用的调频方法及一种解调方案，其他方法可参阅有关专著。（一）直接调频测量电路在前面对电容、涡流、电感传感器的讨论中曾提到一种测量电路方案：在被测量小范围变化时，电容（或电感）的变化也有与之对应的、接近线性的变化。倘若把该电容（或电感）作为自激振荡器的谐振回路中的一个调谐参数，那么电路的谐振频率将是例如，在电容传感器中以电容作为调谐参数，对式（4-11）进行微分，可得在ƒ0附近有C=C0，故因此，回路的振荡频率将和调谐参数的变化呈线性关系，也就是说，在小范围内，它和被测量的变化有线性关系。（二）压控振荡器利用压控振荡器是一种常用的调频方案。压控振荡器的输出瞬时频率与输人的控制电压值成线性关系。图是一种压控振荡器原理图。当Uy=+UD(稳压管的稳压值)时，乘法器输出Uz>0，电容C充电，反相积分器A2的输出U2减小。当U2<-UD时，正反馈放大器A1翻转，Uy=-UD；当Uy=-UD时，乘法器输出Uz<0，电容C放电，反相积分器A2的输出U2增大。当U2>+UD时，正反馈放大器A1又翻转，Uy=+UD。由此可见，压控振荡器的输出信号Uy为方波，其频率与被测信号Ux成正比。设Ux是恒值正电压，则（三）变压器藕合的谐振回路鉴频法调频波的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。实现鉴频过程的方案很多，图4-21是一种采用变压器藕合的谐振回路鉴频方法，也是测试仪器常用的鉴频法。

频率－电压线性变换部分将等幅的调频波uf转换为幅值随频率变化的调频调幅波ua。幅值检波部分检测幅值的变化，得到叠加了偏置电压的调制波uo，去掉uo中的直流偏置电压即可获得原被测信号(调制信号)。调频优点：抗干扰能力强调频波通常要求频带很宽，为调幅所要求带宽的20倍；调频电路比调幅电路复杂，因为频率调制是一种非线性调制。因为调频波所携带的信息包含在频率变化中，并非幅值变化，而干扰波的干扰作用则主要表现在幅值中。调频缺点：要求频带宽、电路复杂一、采样-保持器

要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。能够完成上述任务的器件叫做采样-保持器（Sample/Hold），简写为S/H。

第三节信号调理电路

S/H有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。在采样方式中，采样-保持器的输出跟随模拟量输入电压变化。在保持状态时，采样-保持器的输出将保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤销（即再度接到采样命令）时为止。此时，采样-保持器的输出重新跟踪输人信号变化，直到下一个保持命令到来为止。描述上述采样-保持过程的示意曲线图，如图4-29所示。采样-保持器的主要用途是：（1）保持采样信号不变，以便完成A/D转换；（2）同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；（3）减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；（4）把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。LF198/298/398是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样-保持电路。它具有采样速度快，保持下降速度慢，以及精度高等特点。LF198的逻辑输入有两个控制端全部为具有低输入电流的差动输入，允许直接与TTL，PMOS，CMOS电平相连。其门限值为1.4V。LF198供电电源可以从±5V到±18V。LF198/298/398的原理及引脚图，如图4-30和图4-31所示。LF198/298/398的原理图Uin模拟量电压输入。Vout模拟量电压输出。逻辑（logic）和逻辑参考（logicreFerence）：逻辑及逻辑参考电平，用来控制采样-保持器的工作方式。当引脚8为高电平时，通过控制逻辑电路A3使开关S闭合，电路工作在采样状态。反之，当引脚8为低电平时，则开关S断开，电路进入保持状态。它可以接成差动形式（对LF198而言），也可以将参考电平直接接地，然后，在引脚8端用一个逻辑电平控制。偏置（OFFSET）：偏差调整引脚。可用外接电阻调整采样-保持器的偏差。CH：保持电容引脚。用来连接外部保持电容。V+,V-采样-保持电路电源引脚。电源变化范围为+5V到+10V。在传感器获得的测量信号中，往往含有许多与被测量无关的频率成分需要通过信号滤波电路滤掉。滤波器可以用R、L、C一些无源元件组成，也可以用无源与有源元件组合而成，前者称为无源滤波器，后者称为有源滤波器。最基本的滤波器：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。二、滤波电路滤波器是一种选频装置，使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。工件表面粗糙度测量，滤掉表面形状误差。滤波器的分类(按所选频率分)高通c1低通c2带阻c1c2带通c1c2理想滤波器是指在通带内信号的幅值为一常数A0，相位与频率成线性关系。阻带区的频率成分都衰减为零，其通带和阻带之间有竖直分界线。其他1.理想滤波器2.实际滤波器理想滤波器是不存在的，实际滤波器的幅频特性并非为常数，通带和阻带之间也没有严格界限，存在过渡带。

ofA(f)（1）波纹幅度d：通带内幅频特性的波动量；offc1fc2A00.707A0BQ=f0/B2dA(f)f0（2）截止频率fc：A(f)=0.707A0所对应的频率；

（4）倍频程选择性W：频率变化一倍幅值的衰减量。

（5）滤波器因数

：-60dB带宽与-3dB带宽的比值。

（3）带宽B和品质因数Q：上下截止频率之差称为带宽。中心频率和-3dB带宽B之比称为品质因数。3、低通滤波器低通滤波器的功能是让直流信号在指定截止频率的低频分量通过，而使高频分量有很大衰减。低通滤波器一般用截止频率、阻带频率、直流增益、通带波纹和阻带衰减等参数来确定。选择不同的传递函数，低通滤波器的幅频特性和衰减率均不一样。无源低通滤波器缺点：带负载能力差；无放大作用；特性不理想，边沿不陡。有源低通一阶滤波器传递函数中出现

的一次项，故称为一阶滤波器。RR1RFC+-+幅频特性：相频特性：有放大作用3.运放输出，带负载能力强。幅频特性与一阶无源低通滤波器类似电路的特点：2.=o时1.=0

时有源低通二阶滤波器传递函数注意：由于C引入了正反馈，所以KA不能太大(KA<3)。 否则失去稳定性。【例】设计一个截止频率f0=2kHz，品质因素Q=2的低通滤波器。【解】按上述所求，有：若选C=0.1uF,则：R=795.8Ω;由于KA=2.5,若R1=5.1KΩ,则：Rf=7.65KΩ有源滤波器的优点不使用电感元件，体积小重量轻；有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响；除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。有源滤波器的缺点不宜用于高频、高电压、大电流；可靠性较差使用时需外接直流电源图4-26是利用反馈原理实现的一阶超低通滤波器。这个电路的时间常数可达数百秒。用于超低频范围的自动控制、信号检测及信号处理过程的惯性环节或作超低频积分器，可有效地避免积分漂移，有较高的积分精度。4、高通滤波器高通滤波器的功能是让高于指定截止频率的频率分量通过，而使直流及在指定阻带频率以下的低频分量有很大衰减，同样，与低通滤波器情况相似，没有理想的幅频特性。图4-28为一实际的高通滤波器的幅频特性。理论上讲，高通滤波器在处也应是通带。但实际上由于寄生参数的影响及有源器件带宽的限制，当频率增至一定值时，幅值将下降。图4-29为正增益单放大器组成的单端反馈二阶高通滤波器。有源滤波器R1RF+-+高通滤波器R幅频特性：0o5、带通滤波器带通滤波器是只允许通过某一频段的信号，而在此频段两端以外的信号将被抑制或衰减。其特性曲线如图4-31所示。带通滤波器电路如图4-25所示。实线为理想特性，虚线为实际特性。可见，在的频带内，有恒定的增益；而当时，增益迅速下降。规定带通滤波器通过的宽度叫做带宽，以表示。带宽中点的角频率叫做中心角频率，用表示。6、带阻滤波器带阻滤波器的特性与带通滤波器相反，是专门用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的信号通过。带阻滤波器的特性如图4-33所示。图中实线是理想特性，虚线是实际特性。

将带通滤波器和减法电路合起来，就是一个带阻滤波器，其方框如图4-34所示。图4-35为带阻滤波器具体电路，组成反相输入型带通滤波器，也就是A1的输出电压U01是输入电压的反相带通电压。A2组成加法运算电路，显然，将Ui与U01在A2输入端相加，则在A2的输出端就得到了带阻信号输出。超门限报警

案例：旅游索道钢缆检测由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤

滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警案例：机床轴心轨迹的滤波处理

滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律

功能：将输入的电压信号转换成电流信号输出。作用：当检测装置输入信号为远距离现场传感器输出的电压信号时，为了有效地抑制外来杂散电压信号的干扰，常把传感器输出的电压信号经电压-电流变换电路转换成具有恒流特性的电流信号输出，而后在接收端再由电流-电压变换电路还原成电压信号。一、电压-电流变换器第四节信号转换电路图是一个简单的U-I变换器电路，它类似于一个同相放大器，负载RL的两端都不接地（浮地）。利用放大器的输入特性，可以证明该电路的输出电流与输入电压的关系为1、负载浮地的U-I变换器负载浮地的U-I变换电路此时输出电流I0

与电路负载RL无关，相当于恒流输出装置；式中称为变换系数，调整R2可改变变换系数。利用单位增益运算放大器与精密运算放大器可以组成差动输入U-I变换电路，该电路的特点是负载电流与负载电阻无关，仅与两输入电压之差成比例，其电路结构如图4-19所示。2、差动输入U-I变换电路此电路可看成差动输入两信号的加减运算电路，其中R为输出采样电阻，RL为负载电阻，R1=R3、R2=R4，I0RL为负载端电压，负载端电压经运算放大器隔离后送运放A1的基准端，由此可推导出输出电流与输人差动电压的关系为

图4-37是采用INA105组成差动输人U-I变换器电路。图中的输出电流与输人差动电压的关系为式中k为系数与内部具体电路有关。输出电流I0与负载RL无关，且当R=200Ω时，电路的性能最好。目前市场上已有大量要用的V/I转换芯片，如AD694、XTR105、XTR108、XTR110等，在实际应用中可根据系统要求选择相应的芯片。功能：将输入的电流信号变换成电压信号二、电流-电压变换器1、I-U变换原理电路图（a）是I-U变换原理电路，图（b）是采用运算放大器组成的高输入阻抗I-U变换电路，可提高I-U变换精度，其输出电压与输入电流的关系为图4-38是采用RCV420组成的精密I-U变换器电路，它能将4～20mA输入电流转换成0～5V的电压输出。即当输入电流为4mA时，变换器输出电压为0V；当输人电流为20mA时，输出电压为5V。其单位电流的电压变化率为2、通用精密I-U变换器U/F转换器是把电压信号转换成频率信号，精度和线性度较好，采用积分输入，应用电路简单，对外围器件性能要求不高，对环境适应能力强，转换速度不低于双积分型A/D器件，且价格较低。图所示为电荷平衡式U/F转换电路结构图。三、电压－频率转换

电路结构分成：Al与RC构成一个积分器；A2是零电压比较器；恒流源IR和模拟开关S构成积分器反充电回路。

整个电路可以看作一个振荡频率受输入电压Ui控制的多谐振荡器，实现Ui-F0转换。当积分器的输出电压从UINT下降至零时，零电压比较器跳变，触发单稳态定时器产生一个宽度为t0的脉冲，模拟开关s至位置1接通积分器的反充电回路，使积分电容C充入一定量的电荷Qc=IR·t0。电路设计成，因此，在t0期间积分器一定是以反充电为主，使输出电压UINT线性上升到某一正电压。t0结束时，模拟开关S接至2，即与A1输出端接通。积分器处于充电过程（负积分），积分器输出电压UINT不断下降。当积分器输出电压降至零时，零电压比较器翻转，重复上述过程。图为U/F转换器的波形图。如此反复下去振荡不止，形成频率输出。根据反充电的电荷量与充电的电荷量相等的电荷平衡原理，可以得出因此，输出的振荡频率为上图也是一种自由振荡器电路。不仅其振荡频率随Ui变化而变化，而且积分器输出电压锯齿波的幅值与形状也随Ui变化而变化。积分器的最大输出电压UINT·MAX可表示为由上式可确定积分电容值：1、通用运放V/F转换电路如图4-39是一个由运放组成的V/F转换电路，N1、电阻、电容构成积分器、N2是比较器，UZ为稳压管电压。

V/F转换器输出信号波形如图4-40所示。2、集成V/F转换器模拟集成V/F转换器具有精度高、线性度好、温度系数低、功耗低及动态范围宽等一系列优点，目前已广泛应用于数据采集、自动控制和数字化及智能化测量仪器中。

LM131由输入比较器、定时比较器和RS触发器构成的单稳定时器、基准电源电路、精密电流源、电流开关及集电极开路输出管等部分组成。LM131系列转换器功能框图如图4-41所示。图4-42和4-43分别是LM131用作V/F转换器的简化电路及振荡波形图图4-42LM131用作V/F转换器的简化电路原理分析如下：（1）时，比较器输出高电平，Q=1，V导通，U0=0；开关S闭合，对充电，逐渐上升；与引脚5相连的芯片内放电管截止，U经对充电，上升，直至。（2）当，Q=0，V截止，u0=+E；开关S断开，通过放电，下降；通过芯片内放电管迅速放电到零。当，开始新周期。图4-43LM131用作V/F转换器的振荡波形四、F/V转换器定义：把频率变化的信号线性地转换成电压变化的信号。一般来说F/V转换器主要包括电平比较器、单稳触发器和低通滤波器三部分。输入信号通过比较器转换成快速上升/下降的方波信号去触发单稳触发器，产生定宽、定幅度的输出脉冲序列。将此脉冲序列经低通滤波器平滑，可得到比例于输入信号频率的输出电压Vo。转换原理见图4-44所示。图（a）所示为频率-电压转换原理框图。频率信号经单稳整形电路产生矩形脉冲，再将矩形波中的高次谐波用滤波器滤去，并取其直流分量，见图(b)得式中，Kv为频率-电压转换系数，它等于矩形脉冲面积E·。可见，只有矩形脉冲面积E·τ为常数，直流电压分量才与频率ƒ成正比。为了提高转换精度，必须保证整形电路所产生的脉冲面积为某一恒定值。1、通用F/V转换电路通用转换电路F/V包括三个部分：电平比较器、单稳态触发器和低通滤波器，如图4-45所示。通用F/V转换电路的输入、输出波形如图4-46所示。2、集成F/V转换电路LM131集成F/V转换电路原理如图4-47所示。下图所示为由LM331-U/F转换器构成的频率-电压转换电路。频率信号flN经C-R网络接比较器阈值端（脚6），频率信号的脉冲下降沿使比较器触发定时器工作。经脚1输出的电流经滤波电路，获得与频率信号flN成正比的输出直流电压Uo。（a）图为简单的频率-电压转换电路。经RL·CL滤波后纹波峰值小于10mV；对时间常数ｔ=0.1s，转换精度为0.1%需要建立时间0.7s。（b）图由引脚1输出电流后又由运算放大器提供缓冲输出，并实现双极点滤波器作用。响应时间比a图快得多，纹波峰值也小。自动检测系统中出现非线性特性的原因：（1）传感器本身的输入输出关系存在非线性（2）测量电路的输入输出关系存在非线性解决非线性问题的方法：（1）缩小测量范围（2）采用非线性指示刻度（3）增加非线性补偿环节第五节线性化处理（1）硬件电路的补偿方法（2）微机软件的补偿方法一、非线性校正方法非线性校正方法通常有两种：开环节式非线性校正法和非线性反馈校