第4章集成变换器及其应用2Word文件下载.docx
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当选择不同性质的元件时,可构成不同性质的阻抗模拟电路。
如可构成模拟对地电感、模拟对地电容.模拟对地负阻抗等。
_C4/?
]R3R5%
73"
sZs
1・模拟对地电感
若取Z|、Z2、Z3.Z5分别为电阻/?
]、/?
2、心、尺5,而乙为电阻心和由容Cl并联阻抗,则构成等效模拟电感电路。
其等效阻抗为
R1R3R5I
等效电感和内阻分别为
R.
R=R】RgR,
e"
R貝
由上式可知,调节/;
].心、仏中任一个电阻,艮卩可绘性调节等效电感的大小。
若增大电阻/?
4,可获得低内阻的等效模拟电感。
t/jZ1Z3Z5
厶严7?
=方「
2•模拟对地电容
若Z1、Z2、Z4、Z5分别取为电阻/?
2、^4^尺5,而取Z3为电容Gp则可构成对地电容模拟电路。
7i
其等效阻抗为无込=3零磐屮
其等效电容为Cc=Cf严
调节R2、出中任一个电阻,即
可线性调节电容量的大小。
201SO-4IJ41IMW
3•模拟对地负阻抗
Z5
a^C^C^R2R4
若取Z]和乙3分别为电容C,,而^2、2佥别取为电阻尺2、%Z5为任一阻抗,则等效对地阻抗为
Zie
由上式可知,这是一个Z耳的负阻抗变换器,其阻抗随频率羲化。
4.1.3模拟电感器
如图4亠3所示,是密勒积分式模拟电感器。
A]构成同相放大器彳A2构成积分器。
假定集成运放满足理想化条件,由图可知/,=
/"
兀轟;
5+(1+1^)5,可得0。
产(1+箫)3=合6
201Sfh4fj4llMW
R
Z'
Z-色-血血“屁
厶厂人一M4,-1
11
当A,»
1时,输入阻抗可近似为
Z]严JQ;
;
其中等效电感值为厶£
«
C吟傀
Af
4.1.4电容倍增器
1•由反相放大器组成
的电容倍增器
输入电流为\
j^o+»
'
+1
A=“q
1_"
2-Q
R'
+Ri
_l+j衣+/?
2)7
=用*
等效输入阻抗为
1\"
l+jryCVE+Z?
?
)
201S<
f-4n4llM»
I-
*—
/fjookn
R.llKKIkli
I
IM&
■
C=k
IM£
2
-o
5
13
7/二&
,沁"
Z"
1+jeC。
(弘+/?
2)
C;
£
+皿(1+:
:
1
舟+jtyC,
HI
gFR*—C=>
IM(2
zejookd
JR
&
[]lookn
-Q
u
I*
o-由上式可知,此电路的输入阻抗是1电阻/?
]和等效电容q的并联。
T
其中等效电容为Cie=Co(l+^~)
©
其输入阻抗为
J亠
HI'
图4-1-5可变电容倍增器A=jMD(3-4)=jMoa+第)比Z/二1越
r一皿(|+:
:
15
调节电位器RP即可改变电容q的值。
该电路突出的优点是,通过改变电阻就可以得到任意大的电容值。
201削14时4H址期
4.2U/I变换器和I/U变换器
421
422
423
接地负载的U/I变换器
精密U/I变换器
精密I/U变换器
4.2.1接地负载的U/I变换器
1•由两个运放构成的U/I变换器
A|为同相加法器,U乩
A2为跟随器。
由图可知Uo2=RJl,
人=“2
—二—-仏
尺3-尺4
RM-RQ+gUS
A、
R\
17
1MJ
+
%
R、
U宀R:
严黑R”
=0严2代入s得R'
+*
=g+hU\+(%+RJR'
厶尺n&
R'
g+RJ&
(心©
)1
_/0.7R图4-2-1由两个运
-5①十放构成的U/I变换器要使I]与R]无关,必须使
g+尺皿=1或尺(/?
3+心)二的+凡冈R、g+RJ-
为此运放电路的匹配条件。
19
2015年4R4H»
!
・期
解得Z(尺+©
)尺4心尺足(心+艮)
图4-2-1由两个运放构成的U/I变换器
所以八=^k;
Ui
注意,因此电路为正反馈,所以必须
分析其稳定性,为保证至少有lOdB的稳定储备,应选择Rs>
2Rl
KJ
心<7,
u+=R3+R4
5=汽人=R:
i;
冥爲Ri
V,由该式得
201Sfb4lj4flh!
HI|
21
rj=&
+(尺3+RJ〃Rlrj火+RJ//心“将U=uJU、+RS
代入上式得
R\+R?
[尺5+(尺3+尺4)〃心]『R=—1:
^—・/,R.g+&
)//血II尺3+心Lb
R\,R亠RR;
讥竝+乔瓦讥
_尽,RRZJ'
Mi,&
jRi+/?
2R\+R?
Rrf.——"
—U\+Ry+RrR\+R-,R\+/?
j
wrfrlUJ
-*±
iiPT
要使人与心无关,必须使
R\R5+R、+R4=R\
—R3+R4
23
整理得=尺3+尺4+尺5斤一~R\+/?
2~
由」一q+—•R,+Rm+Rj]R+主生」
R\+R]R'
+R?
&
+他R\+R]
=&
+'
人仇
解得八=
若选取R,=R,=R^=R,=R&
=—
则得
4.2.2精密U/I变换器
XTRllO可将0〜5V或1〜lOV电压信号变换成4〜20mA、0〜20mA、5〜25mA和其它电流范围。
XTRIK)采用标准16脚DIP封装。
l.XTRllO的性能特点
■U
通过对管脚的不同连接实现不同的输A/输出范围。
2最大非线性;
不大于0.005%(具有14bit精度)。
3提供+1()V基准。
4电源电压范围:
13・5〜4()V,为单电源工作。
2.XTR110的内部结构
输入范围/V
输出范围/mA
3脚
4脚
5脚
9脚
10脚
0〜10
0〜20
输入
2〜10
4〜20
0~10
15、12
开路
5〜25
0~5
1~5
4~20
0〜5
1S、12
15>
12
27
IMl
201Sn-4lj4!
lh!
期
4.XTR110的应用
rij
图4-2-50~10V输入•±
20<
)mA大电流输出变换电路
423精密I/U变换器
RCV420是精密I/U变换器。
它能将4〜20mA的环路电流变成0〜5V的输出电压。
LRCV420的性能特点
14〜20inA的电流输入,0〜5V的电压输出。
2具有精密WV电压基准,温漂小于5Xl()-6rCo
3具有土40V共模电压输入范围°
4总的变换误差小于0.1%。
5具有86dB的噪声抗干扰能力。
29
2.RCV420的内部结构
IN
GT
IN*
('
OMR
图4-2-7RCV42rt的内部结构图
3.RCV420的基本接法
图示电路是由XTR101变送器部分和RCV420变换器部分组成。
其中,XTR101将温度信号(如热电偶信号)变送成4〜20mA的电流输出。
U/I变换器即电压/电流变换器:
输出负载中的电流正比于输入电压的运放电路,因传输系数为电导,乂称转移电导放大器。
»
在某些控制系统中,负载要求电流源驱动,而实际的信号又可能是电压源。
这在丄程上就提出了如何将电压源信号变换成电流源的要求,而14不论负载如何变化,电流源电流只取决于输入电压源信号,而与负载无关。
A又如,在信号的远距离传输屮,由于电流信号不易受干扰,所以也需要将电压信号变换为电流信号来传输。
201644內4"
址期
33
111
(a)反相电斥/电流变换器
>悬浮负载电压/电流变换器
悬浮负载电压/电流变换器电路如图所示。
(b)同相电压/电流变换器
悬浮负载的电压/电流变换器
4.2U/I、I/U变换器
图(a)是一个反相电压/电流变换器,它是一个电流并联负反馈电路,它的组成与反相放大器很相似,不同的是现在的反馈元件(负载)可能是一个继电器线圈或内阻为的电流计。
流过悬浮负载的电流为
图(b)足一个同相电压/电流变换器,它足一个电流串联负反馈电路。
该电路的负载电流为
35
201SQ4N4H41HII
♦I/U变换器
T/U变换器即电流/电压变换器:
输出负载屮的电压正比于输入电流的运放电路,H传输系数为电阻,乂称转移电阻放大器。
>育许多传感器产生的信号为微弱的电流倍号,将该电流信号转换为电压信号町利用运放的“虚地”特性。
如下页图所示,就足光敏二极管或光敏三极管产生的微弱光电流转换为电压信号的电路。
显然,对运算放大器的要求是输入电阻要趋向无穷大,输入偏流右要趋于零,这样,光电流将全部流向反馈电阻冋。
例如,运算放大器CA3140的偏流/BiO・2nA,故其就比较适合作光电流放大器。
>实现对大电流的测量
将光电流变换为电压输出的电路
37
电流/电压变换器下图所示,它是一个电压并联负反馈电路.该电路本质上是一个反相放大器,只是没有输入电阻。
输入电流氐接接到集成运放的反相输入端。
电流/电压变换器
图(“)是一个基木的电流/电压变换器,根据集成运放的“虚断”和“虚地”概念,1,4.=0和匚=O,故ip=if,从而有
=——0=TfRy
图(b)是一个经常用在光电转换电路中的典型电路。
图中V是光电二极管,工作于反向偏置状态。
根据集成运放的“虚断”和“虚地”概念可得
s=-q故=--心
Uq=ilRF
39
201644內4H址期
实现对大电流的测量
右下图所示电路,是用来测魁人电流的实际电路。
图中«
3(=0.010)为电流采样电阻。
由于运放输入电流极小,负载电流L全部流经尺3,产生的采样电压4=^3认。
运放输出加到场效应管栅极,构成深度负反馈,故利用“虚短路"
特性,有乂二匕即
1d=R、h
而场效应管漏极电流/d等r源极电流人,输出电压/为
—bl沪
测最大电流人的电路
-利用上式测出4,就可以换算出负载电流L例
如,R2=5kQ,E=1kQ,斤3=0・010,则Hi流Hi尿
变换比为电詳i=0(5V/A,若测得输出电压4
R\
=5V,则可知负载电流/l=100Ao
41
201Sf|4N4H>
|!
»
4.3U/F变换器和F7U变换器
电压/频率变换电路简称为U/F变换电路或U/F变换器(UFC)。
频率/电压变换电路简称为F/U变换电路或F/U变换器(FUC)c
-广泛用于电子技术、自动控制、数字仪衣、通信设备、调频、锁相与模数变换等领域。
-模块式结构和单片集成式结构
.四种典世的变换方法:
积分恢复型、电圧反馈型、交替积分型和恒流开关型
-单片集成U/F与F/U变换器常采用恒流开关型,通常只是可逆的(既叮用作U/F,乂可用作F/U),具有体积小、成本低的优点,但外围元件多,精度差。
-模块式变换器常做成不可逆的专用变换器,将U/F和F/U设计成两种独立的模块,具有外围元件少的突出优点。
VFCIOO同步熨U/F、F/U变换器,通过外时钟频率获得精密积分周期,实现U/F变换。
外加同步频率可设置满量程频率输出,柿密的输入电阻可捉供10V满星程输入电压。
在许多应用中不需要外调整。
VFClOO的输Hi采用集电极开路输Ml,可方便地耳TTL和CMOS电路接口。
该器件可在模/数转换、过程控制、数据采集、电压隔离等领域得到广泛应用。
VFClOO外型采用16脚DIP封装结构。
43
201SMn4H<
4»
l
4.3.1VFClOO同步型U/F、F/U变换器
1-引脚及其功能14、15W;
-ComparatorIn>
・1,8脚:
+Vcc、-Vcc,止、负电源输入+ConiparuiorTn'
内部比较器端,应与地接入0」aF电容;
输入端
・2、3脚:
NC.空脚:
16脚:
Vref-内部5V参考电
・4脚:
InWgnMrOia,内部积分器输出端,圧输出瑞。
-般与5脚Z间接入积分电容;
le
NC
•
te
3
t4
kiiirifafQn4
4
J
9
12
Nwvvmngm
fl
10
-Voc
•CwWMTMrh
AnalogCovnman
g尸
Cloo*Input
C*
・5W:
C,^.枳分器负输入端.接枳分电容:
•6、7脚:
NonirwertingIn,V^,积分器同相输入与模拟电圧输入端:
・9W:
Cos,输出单稳电容端;
・10脚:
ClockInput.同步时钟输入端:
・"
脚:
four,U/F变换频率输出端;
・12、13脚JDigitalCommon、Analog
Common,数宁地与模拟地;
2.性能特点
-满屋程频率输出可通过外时钟(系统时钟)设置;
-在精密满10V电压输入时,增益误差不超过().5%:
•内设精密5V参考电源;
•极好的线性,在100kHz时,最大K差不超过0.02%,
IMHz时不超过0.01%;
45
•具冇低的增益漂移:
不超过50X10WC。
4.3.1
VFClOO同步型U/F、F/U变换器
3.主要参数
•UZF、I/F和F/U变换模式:
增益误差不超过±
1%、线性误差不超过±
()・()25%;
-输入阻抗:
人于19.8千欧;
•带宽:
典型值为14MHz;
•时钟最人输入:
4MHz;
•集电极开路输出:
最大电流15mA;
•输出单稳,憬人脉宽:
2声;
•参考电源:
输出电压为5±
0.IV.输出电流为10mA,输出电阻典型值为0.5欧;
•电源电压范围:
±
7.5-士2&
5V。
4.
内部结构与基本接法
VFCIOO的内部电路结构如卜-图所示。
由积分器、比较器、定时逻辑、输出单稳和垂准电源组成,外M元件为U/F变换基本接法。
在U/F变换模式中,输出频率由血丫二厶Ma确定。
S为模拟输入电压
为同步输入时钟频率。
』>
47
I
20创4X4H星期VFCIOO内部结构图及U/F变换模式的呈本接法
下图是U/F变换模式波形。
输入电压通过积分器积分■经比较器比较并在同步时钟的触发下输出频率f…
乐—ruinnmumnnnnjuumnnnfL
曙5V/SS,W
人—U—U—U—U—
❖当输入电压满量程为lOV时,对应的U/F变换传递特性曲线如右图所示。
10V
48
20伯44X4H星期
4.3.1VFCIO()同步型U/F、F/U变换器
5.双极性输入与调整
VFC100有单极性输入和双极性输入两种接法。
'
少+15V^5V
f()」"
屮7低2
十她,卜T鬥
+I5V-!
5V
频率为IMHz.R]为2()kG,积分电容为O.OlpF,输入模拟电压为-5~+5V,输出频率为0~500kHz。
49
6.失调与增益调整
2O1S04M4!
H4Kll
图4-3-5失调与増益调整电路
调与增益调整电路,RP2的作用是对失调电压进行细调,RPi的作用是对增益进行细调。
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- 关 键 词:
- 集成 变换器 及其 应用