在控制、遥控、遥测、近代生物物理和医学等领域,常常需要将模拟信号进行转换,如将信号电压转换成电流,将信号电流转换成电压,将直流信号转换成交流信号,将模拟信号转换成数字信号,等等。
一、电压 - 电流转换电路
在控制系统中,为了驱动执行机构,如记录仪、继电器等,常需要将电压转换成电流;而在监测系统中,为了数字化显示,又常将电流转换成电压,再接数字电压表。在放大电路中引入合适的反馈,就可实现上述转换。
1、电压 - 电流转换电路
如图6.7.1所示为电压 - 电流转换电路,图(a)所示为基本原理电路,图(b)所示为负载接地的豪兰德电流源电路。图8.4.1所示电路为另一种负载接地的实用电压 - 电流转换电路。
A
1
A_1
A1、
A
2
A_2
A2 均引入了负反馈,前者构成同相求和运算电路,后者构成电压跟随器。图中
R
1
=
R
2
=
R
3
=
R
4
=
R
R_1=R_2=R_3=R_4=R
R1=R2=R3=R4=R,因此
u
O
2
=
u
P
2
u_{\scriptscriptstyle O2}=u_{\scriptscriptstyle P2}
uO2=uP2
u
P
1
=
R
4
R
3
+
R
4
⋅
u
I
+
R
3
R
3
+
R
4
⋅
u
P
2
=
0.5
u
I
+
0.5
u
P
2
(
8.4.1
)
u_{\scriptscriptstyle P1}=\frac{R_4}{R_3+R_4}\cdot u_{\scriptscriptstyle I}+\frac{R_3}{R_3+R_4}\cdot u_{\scriptscriptstyle P2}=0.5u_{\scriptscriptstyle I}+0.5u_{\scriptscriptstyle P2}\kern 10pt(8.4.1)
uP1=R3+R4R4⋅uI+R3+R4R3⋅uP2=0.5uI+0.5uP2(8.4.1)
u
O
1
=
(
1
+
R
2
R
1
)
u
P
1
=
2
u
P
1
u_{\scriptscriptstyle O1}=(1+\frac{R_2}{R_1})u_{\scriptscriptstyle P1}=2u_{\scriptscriptstyle P1}
uO1=(1+R1R2)uP1=2uP1将式(8.4.1)代入上式,
u
O
1
=
u
P
2
+
u
I
u_{\scriptscriptstyle O1}=u_{\scriptscriptstyle P2}+u_{\scriptscriptstyle I}
uO1=uP2+uI,
R
o
R_o
Ro 上的电压
u
R
o
=
u
O
1
−
u
P
2
=
u
I
u_{\scriptscriptstyle R_o}=u_{\scriptscriptstyle O1}-u_{\scriptscriptstyle P2}=u_{\scriptscriptstyle I}
uRo=uO1−uP2=uI所以
i
O
=
u
I
R
o
(
8.4.2
)
i_{\scriptscriptstyle O}=\frac{u_{\scriptscriptstyle I}}{R_o}\kern 40pt(8.4.2)
iO=RouI(8.4.2)与豪兰德电流源电路的表达式[式(6.7.4)]相比,仅差符号。
2、电流 - 电压转换电路
集成运放引入电压并联负反馈即可实现电流 - 电压转换,如图8.4.2所示,在理想运放条件下,输入电阻 R i f = 0 R_{if}=0 Rif=0,因而 i F = i S i_{\scriptscriptstyle F}=i_{\scriptscriptstyle S} iF=iS,故输出电压 u O = − i S R f ( 8.4.3 ) u_{\scriptscriptstyle O}=-i_{\scriptscriptstyle S}R_f\kern 40pt(8.4.3) uO=−iSRf(8.4.3)应当指出,因为实际电路的 R i f R_{if} Rif 不可能为零,所以 R s R_{s} Rs 比 R i f R_{if} Rif 大得愈多,转换精度愈高。
二、精密整流电路
将交流电转换为直流电,称为整流。精密整流电路的功能是将微弱的交流电压转换成直流电压。整流电路的输出保留输入电压的形状,而仅仅改变输入电压的相位。当输入电压为正弦波时,半波整流电路和全波整流电路的输出电压波形如图8.4.3中 u O 1 u_{\scriptscriptstyle O1} uO1 和 u O 2 u_{\scriptscriptstyle O2} uO2 所示。
在图8.4.4(a)所示的一般半波整流电路中,由于二极管的伏安特性如图(b)所示,当输入电压
u
I
u_{\scriptscriptstyle I}
uI 幅值小于二极管的开启电压
U
O
N
U_{ON}
UON 时,二极管在信号的整个周期均处于截止状态,输出电压始终为零。即使
u
I
u_{\scriptscriptstyle I}
uI 幅值足够大,输出电压也只反映
u
I
u_{\scriptscriptstyle I}
uI 大于
U
O
N
U_{ON}
UON 的那部分电压的大小。因此,该电路不能对微弱信号整流。
图8.4.5(a)所示为半波精密整流电路。当
u
I
>
0
u_{\scriptscriptstyle I}>0
uI>0 时,必然使集成运放的输出
u
O
′
<
0
u'_{\scriptscriptstyle O}<0
uO′<0,从而导致二极管
D
2
D_2
D2 导通,
D
1
D_1
D1 截止,电路实现反相比例运算,输出电压
u
O
=
−
R
f
R
⋅
u
I
(
8.4.5
)
u_{\scriptscriptstyle O}=-\frac{R_f}{R}\cdot u_{\scriptscriptstyle I}\kern 30pt(8.4.5)
uO=−RRf⋅uI(8.4.5)当
u
I
<
0
u_{\scriptscriptstyle I}<0
uI<0 时,必然使集成运放的输出
u
O
′
>
0
u'_{\scriptscriptstyle O}>0
uO′>0,从而导致二极管
D
1
D_1
D1 导通,
D
2
D_2
D2 截止,
R
f
R_f
Rf 中电流为零,因此输出电压
u
O
=
0
u_{\scriptscriptstyle O}=0
uO=0。
u
I
u_{\scriptscriptstyle I}
uI 和
u
O
u_{\scriptscriptstyle O}
uO 的波形如图(b)所示。
如果设二极管的导通电压为
0.7
V
0.7\,\textrm V
0.7V,集成运放的开环差模放大倍数为
50
50
50 万倍,那么为使二极管
D
1
D_1
D1 导通,集成运放的净输入电压
u
P
−
u
N
=
(
0.7
5
×
1
0
5
)
V
=
0.14
×
1
0
−
5
V
=
1.4
μV
u_{\scriptscriptstyle P}-u_{\scriptscriptstyle N}=(\frac{0.7}{5\times10^5})\,\textrm V=0.14\times10^{-5}\,\textrm V=1.4\,\textrm{μV}
uP−uN=(5×1050.7)V=0.14×10−5V=1.4μV同理可估算出为使
D
2
D_2
D2 导通集成运放所需的净输入电压,也是同数量级。可见,只要输入电压
u
I
u_{\scriptscriptstyle I}
uI 使集成运放的净输入电压产生非常微小的变化,就可以改变
D
1
D_1
D1 和
D
2
D_2
D2 的工作状态,从而达到精密整流的目的。
图8.4.5(b) 所示波形说明当
u
I
>
0
u_{\scriptscriptstyle I}>0
uI>0 时
u
O
=
−
K
u
I
(
K
>
0
)
u_{\scriptscriptstyle O}=-Ku_{\scriptscriptstyle I}(K>0)
uO=−KuI(K>0),当
u
I
<
0
u_{\scriptscriptstyle I}<0
uI<0 时,
u
O
=
0
u_{\scriptscriptstyle O}=0
uO=0。那么,若利用反相求和电路将
−
K
u
I
-Ku_{\scriptscriptstyle I}
−KuI 与
u
I
u_{\scriptscriptstyle I}
uI 负半周波形相加,就可实现全波整流,电路如图8.4.6(a)所示。
分析由
A
2
A_2
A2 所组成的反相求和运算电路可知,输出电压
u
O
=
−
u
O
1
−
u
I
u_{\scriptscriptstyle O}=-u_{\scriptscriptstyle O1}-u_{\scriptscriptstyle I}
uO=−uO1−uI当
u
I
>
0
u_{I}>0
uI>0 时,
u
O
1
=
−
2
u
I
u_{\scriptscriptstyle O1}=-2u_{\scriptscriptstyle I}
uO1=−2uI,
u
O
=
2
u
I
−
u
I
=
u
I
u_{\scriptscriptstyle O}=2u_{\scriptscriptstyle I}-u_{\scriptscriptstyle I}=u_{\scriptscriptstyle I}
uO=2uI−uI=uI;当
u
I
<
0
u_{\scriptscriptstyle I}<0
uI<0 时,
u
O
1
=
0
u_{\scriptscriptstyle O1}=0
uO1=0,
u
O
=
−
u
I
u_{\scriptscriptstyle O}=-u_{\scriptscriptstyle I}
uO=−uI;所以
u
O
=
∣
u
I
∣
(
8.4.5
)
u_{\scriptscriptstyle O}=|u_{\scriptscriptstyle I}|\kern 40pt(8.4.5)
uO=∣uI∣(8.4.5)故图8.4.6(a)所示电路也称为绝对值电路。当输入电压为正弦波和三角波时,电路输出波形分别如图(b)和(c)所示。
【例8.4.1】分析图8.4.7所示电路输出电压与输入电压间的关系,并说明电路功能。已知
R
1
=
R
2
R_1=R_2
R1=R2。
解: 当
u
I
>
0
u_{\scriptscriptstyle I}>0
uI>0 时,
u
O
2
<
0
u_{\scriptscriptstyle O2}<0
uO2<0,二极管
D
D
D 截止,故
u
P
1
=
u
N
2
=
u
I
u_{\scriptscriptstyle P1}=u_{\scriptscriptstyle N2}=u_{\scriptscriptstyle I}
uP1=uN2=uI,使
i
1
=
i
2
=
0
i_1=i_2=0
i1=i2=0,因而
u
O
=
u
I
u_{\scriptscriptstyle O}=u_{\scriptscriptstyle I}
uO=uI。
当
u
I
<
0
u_{\scriptscriptstyle I}<0
uI<0 时,
u
O
2
>
0
u_{\scriptscriptstyle O2}>0
uO2>0,
D
D
D 导通,
u
P
1
=
u
N
2
=
u
P
2
=
0
u_{\scriptscriptstyle P1}=u_{\scriptscriptstyle N2}=u_{\scriptscriptstyle P2}=0
uP1=uN2=uP2=0,为虚地,故
u
O
=
−
R
2
R
1
⋅
u
I
=
−
u
I
u_{\scriptscriptstyle O}=-\frac{R_2}{R_1}\cdot u_{\scriptscriptstyle I}=-u_{\scriptscriptstyle I}
uO=−R1R2⋅uI=−uI因此
u
O
=
∣
u
I
∣
u_{\scriptscriptstyle O}=|u_{\scriptscriptstyle I}|
uO=∣uI∣电路的功能是实现精密全波整流,或者说构成绝对值电路。
通过精密整流电路的分析可知,当分析含有二极管(或三极管、场效应管)的电路时,一般应首先判断管子的工作状态,然后求解输出与输入信号间的函数关系。而管子的工作状态通常决定于输入电压(如整流电路)或输出电压(如压控振荡电路)的极性。
三、电压 - 频率转换电路
电压 - 频率转换电路(VFC:Voltage Frequency Converter)的功能是将输入直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压,故也称为电压控制振荡电路(VCO:Voltage Controlled Oscillator),简称压控振荡电路。通常,它的输出是矩形波。任何物理量通过传感器转换成电信号后,经预处理变换为合适的电压信号,然后去控制压控振荡电路,再用压控振荡电路的输出驱动计数器,使之在一定时间间隔内记录矩形波个数,并用数码显示,那么就可以得到该物理量的数字式测试仪表,如图8.4.8所示。因此,可以认为电压 - 频率转换电路是一种模拟量到数字量的转换电路,即模/数转换电路。电压 - 频率转换电路广泛应用于模拟/数字信号的转换、调频、遥控遥测等各种设备之中。
1、由集成运放构成的电压 - 频率转换电路
(1)电荷平衡式电路
电荷平衡式电压 - 频率转换电路由积分器和滞回比较器组成,它的一般原理框图如图8.4.9所示。图中
S
\textrm S
S 为电子开关,受输出电压
u
O
u_{\scriptscriptstyle O}
uO 的控制。
设
u
I
<
0
u_{\scriptscriptstyle I}<0
uI<0,
∣
I
∣
>
>
∣
i
I
∣
|I|>>|i_{\scriptscriptstyle I}|
∣I∣>>∣iI∣;
u
O
u_{\scriptscriptstyle O}
uO 的高电平为
U
O
H
U_{OH}
UOH,
u
O
u_{\scriptscriptstyle O}
uO 的低电平为
U
O
L
U_{OL}
UOL;当
u
O
=
U
O
H
u_{\scriptscriptstyle O}=U_{OH}
uO=UOH 时
S
\textrm S
S 闭合,当
u
O
=
U
O
L
u_{\scriptscriptstyle O}=U_{OL}
uO=UOL 时
S
\textrm S
S 断开。若初态
u
O
=
U
O
L
u_{\scriptscriptstyle O}=U_{OL}
uO=UOL,
S
\textrm S
S 断开,积分器对输入电流
i
I
i_{\scriptscriptstyle I}
iI 积分,且
i
I
=
u
I
/
R
i_{\scriptscriptstyle I}=u_{\scriptscriptstyle I}/R
iI=uI/R,
u
O
1
u_{\scriptscriptstyle O1}
uO1 随时间逐渐上升;当增大到一定数值时,
u
O
u_{\scriptscriptstyle O}
uO 从
U
O
L
U_{OL}
UOL 跃变为
U
O
H
U_{OH}
UOH,使
S
\textrm S
S 闭合,积分器对恒流源电流
I
I
I 与
i
I
i_{\scriptscriptstyle I}
iI 的差值积分,且
I
I
I 与
i
I
i_{\scriptscriptstyle I}
iI 的差值近似为
I
I
I,
u
O
1
u_{\scriptscriptstyle O1}
uO1 随时间下降;因为
∣
I
∣
>
>
∣
i
I
∣
|I|>>|i_{\scriptscriptstyle I}|
∣I∣>>∣iI∣,所以
u
O
1
u_{\scriptscriptstyle O1}
uO1 下降速度远大于其上升速度;当
u
O
1
u_{\scriptscriptstyle O1}
uO1 减小到一定数值时,
u
O
u_{\scriptscriptstyle O}
uO 从
U
O
H
U_{OH}
UOH 跃变为
U
O
L
U_{OL}
UOL,回到初态,电路重复上述过程,产生自激振荡,波形如图(b)所示。由于
T
1
>
>
T
2
T_1>>T_2
T1>>T2,可以认为振荡周期
T
≈
T
1
T\approx T_1
T≈T1。而且,
u
I
u_{\scriptscriptstyle I}
uI 的数值愈大,
T
1
T_1
T1 愈小,振荡频率
f
f
f 愈高,因此实现了电压 - 频率转换,或者说实现了压控振荡。由于电流源
I
I
I 对电容
C
C
C 在很短时间内放电(或称反向充电)的电荷量等于
i
I
i_{\scriptscriptstyle I}
iI 在较长时间内充电(或称正向充电)的电荷量,故称这类电路为电荷平衡式电路。
图8.3.10(a)所示锯齿波发生电路中,若将电位器滑动端置于最上端,且积分电路正向积分决定于输入电压,则构成压控振荡电路,如图8.4.10(a)所示,这是电荷平衡式电压 - 频率转换电路的一种。在实际电路中,将图(a)中的
D
2
D_2
D2 省略,将
R
w
R_w
Rw 换为固定电阻,并习惯画成为图(b)所示电路,两个集成运放输出电压的波形如图(c)所示。对锯齿波发生电路进行定量分析可得,图(b)所示电路中滞回比较器的阈值电压为
±
U
T
=
±
R
1
R
2
⋅
U
Z
±U_T=±\frac{R_1}{R_2}\cdot U_Z
±UT=±R2R1⋅UZ在图(c)波形中的
T
2
T_2
T2 时间段,
u
O
1
u_{\scriptscriptstyle O1}
uO1 是对
u
I
u_{\scriptscriptstyle I}
uI 的线性积分,其起始值为
−
U
T
-U_T
−UT,终了值为
+
U
T
+U_{T}
+UT,因而
T
2
T_2
T2 应满足
U
T
=
−
1
R
w
C
⋅
u
I
T
2
−
U
T
U_T=-\frac{1}{R_wC}\cdot u_{\scriptscriptstyle I}T_2-U_T
UT=−RwC1⋅uIT2−UT解得
T
2
=
2
R
1
R
w
C
R
2
⋅
U
Z
∣
u
I
∣
T_2=\frac{2R_1R_wC}{R_2}\cdot\frac{U_Z}{|u_{\scriptscriptstyle I}|}
T2=R22R1RwC⋅∣uI∣UZ当
R
w
>
>
R
3
R_w>>R_3
Rw>>R3 时,振荡周期
T
≈
T
2
T\approx T_2
T≈T2,故振荡频率
f
≈
1
T
2
=
R
2
2
R
1
R
w
C
U
Z
⋅
∣
u
I
∣
(
8.4.6
)
f\approx\frac{1}{T_2}=\frac{R_2}{2R_1R_wCU_Z}\cdot|u_{\scriptscriptstyle I}|\kern 20pt(8.4.6)
f≈T21=2R1RwCUZR2⋅∣uI∣(8.4.6)振荡频率受控于输入电压。
(2)复位式电路
复位式电压 - 频率转换电路的原理框图如图8.4.11所示,电路由积分器和单限比较器组成,
S
\textrm S
S 为模拟电子开关,可由晶体管或场效应管组成。设输出电压
u
O
u_{\scriptscriptstyle O}
uO 为高电平
U
O
H
U_{OH}
UOH 时
S
\textrm S
S 断开,
u
O
u_{\scriptscriptstyle O}
uO 为低电平
U
O
L
U_{OL}
UOL 时
S
\textrm S
S 闭合。当电源接通后,由于电容
C
C
C 上电压为零,即
u
O
1
=
0
u_{\scriptscriptstyle O1}=0
uO1=0,使
u
O
=
U
O
H
u_{\scriptscriptstyle O}=U_{OH}
uO=UOH,
S
\textrm S
S 断开,积分器对
u
I
u_{\scriptscriptstyle I}
uI 积分,
u
O
1
u_{\scriptscriptstyle O1}
uO1 逐渐减小;一旦
u
O
1
u_{\scriptscriptstyle O1}
uO1 过基准电压
−
U
R
E
F
-U_{REF}
−UREF,
u
O
u_{\scriptscriptstyle O}
uO 将从
U
O
H
U_{OH}
UOH 跃变为
U
O
L
U_{OL}
UOL,导致
S
\textrm S
S 闭合,使
C
C
C 迅速放电至零,即
u
O
1
=
0
u_{\scriptscriptstyle O1}=0
uO1=0,从而
u
O
u_{\scriptscriptstyle O}
uO 从
U
O
L
U_{OL}
UOL 跃变为
U
O
H
U_{OH}
UOH;
S
\textrm S
S 又断开,重复上述过程,电路产生自激振荡,波形如图(b)所示。
u
I
u_{\scriptscriptstyle I}
uI 愈大,
u
O
1
u_{\scriptscriptstyle O1}
uO1 从零变化到
U
R
E
F
U_{REF}
UREF 所需时间愈短,振荡频率也就愈高。
注: 由于使用的是单限电压比较器,
u
O
1
u_{\scriptscriptstyle O1}
uO1 从
−
U
R
E
F
-U_{REF}
−UREF 到 0 的时间与
u
O
u_{\scriptscriptstyle O}
uO 从低电平跳变到高电平的时间并不相同,但是它们的时间都比较短,所以可以认为其时间为
T
2
T_2
T2,
T
2
<
<
T
1
T_2<<T_1
T2<<T1。
图8.4.12所示为复位式电压 - 频率转换电路,其振荡周期
T
T
T 和频率
f
f
f 为
T
≈
R
1
C
⋅
U
R
E
F
u
I
(
8.4.7
)
T\approx R_1C\cdot\frac{U_{REF}}{u_{\scriptscriptstyle I}}\kern 30pt(8.4.7)
T≈R1C⋅uIUREF(8.4.7)
f
≈
u
I
R
1
C
U
R
E
F
(
8.4.8
)
f\approx\frac{u_{\scriptscriptstyle I}}{R_1CU_{REF}}\kern 30pt(8.4.8)
f≈R1CUREFuI(8.4.8)
2、集成电压 - 频率转换电路
集成电压 - 频率转换电路分为电荷平衡式(如 AD650、VFC101)和多谐振荡器式(如 AD654)两类,它们的性能比较见表8.4.1。
表
8.4.1
集成电压
−
频率转换电路的主要性能指标
表8.4.1\,\, 集成电压 - 频率转换电路的主要性能指标
表8.4.1集成电压−频率转换电路的主要性能指标文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-601523.html
指标参数 | 单位 | AD650 | AD654 |
---|---|---|---|
满刻度频率 | MHz | 1 | 0.5 |
非线性 | % | 0.005 | 0.06 |
电压输入范围 | V | -10 ~ 0 | 0 ~ ( V S − 4 V_S-4 VS−4)(单电源供电) − V S \\-V_S −VS~( V S − 4 V_S-4 VS−4)(双电源供电) |
输入阻抗 | kΩ | 250 | 250 × 1 0 3 250×10^3 250×103 |
电源电压范围 | V | ±9 ~ ±18 | 单电源供电:4.5 ~ 3.6 \\\, 双电源供电:±5 ~ ±18 |
电源电流最大值 | mA | 8 | 3 |
表中参数表明,电荷平衡式电路的满刻度输出频率高,线性误差小,但其输入阻抗低,必须正、负双电源供电,且功耗大。多谐振荡器式电路功耗低,输入阻抗高,而且内部电路结构简单,输出为方波,价格便宜,但不如前者精度高。
很多集成电压 - 频率转换电路均可方便地实现频率 - 电压转换,如型号为 AD650 和 AD654 的集成电路。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-601523.html
到了这里,关于8.4 利用集成运放实现的信号转换电路的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!