第六章-信号线性变换课件

第6章 信号线性变换1内容提要概述电压/电流变换器和电流/电压变换器波形变换电压/频率变换与频率/电压变换26.1

概述3在信号的测量、处理、传输、记录与显示以及控制等领域中满足不同设备等需要，广泛地应用各类信号变换技术。线性变换4非线性变换信号变换的分类线性变换5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。非线性变换6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类：7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信号线性变换电路的一般要求8输出信号与输入信号呈线性关系；有足够高的输入阻抗；有足够的驱动能力和动态范围；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/电流变换器和电流/电压变换器9在实际控制应用中,存在多种多样的信号检测和传送,为了应用方便,国际电工委员会(IEC)将直流电流信号4～20mA和直流电压信号1～5V确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准。电压与电流的变换是最基本的电量变换，其实质是恒压源与恒流源之间的相互转换。由于恒压源的内阻远小于负载电阻，恒流源的内阻远大于负载电阻。故此，将电压转换为电流一般采用输出阻抗高的电流负反馈电路，而将电流转换为电压一般采用输出阻抗低的电压负反馈电路。电压/电流变换器电流/电压变换器10具体变换6.2.1

电压/电流变换器11电压/电流变换器（VCC）的作用是将电压信号变换为与电压成正比的电流信号。用 途：12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，如记录仪记录笔的偏转和电流表的偏转。模拟电流表等。分类13VCC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/电流变换器14反相式同相式电流放大式大电流和高电压负载浮地15负载两端都没有直接接地。反相式16特点：负载阻抗中的电流与输入电压成正比，与负载阻抗无关；信号源和负载上都有较大的电流值。17同相式18特点：负载阻抗中的电流与输入电压成正比，与负载阻抗无关；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。19电流放大式20推导：21由上式可知，调节R1，R2和R3都能改变VCC的变换系数，只要合理地选择参数，电路在较小的输入电压

Vi作用下，就能给出较大的与Vi成正比的负载电流。负载电流iL主要由运放提供，信号源只要提供很小的电流，此时需要R1

的值较大。但该电路要求运放给出较高的输出电压。22讨论：大电流和高电压输出23当需要较大的输出电流，或较高的输出电压时，普通的运放可能很难满足要求。此时需要接晶体管组成大电流输出电压/电流变换器。大电流和高电压输出的VCC电路24特点：25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Vi>0的信号。改进型大电流和高电压输出26

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27特点：28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Vi>0的信号。二、负载接地型电压/电流变换器2930特点只要满足 ，该电路便能给出与输入电压Vi成正比的电流iL输出，而且与负载阻抗无关；为了减小R3上的压降，应将R3和RF

（关联）取小一些，而为了减小信号源的损耗，应选用较大的R1和R2值；该电路最大的缺点是引入了正反馈，使得电路的稳定性降低。31高性能负载接地型VCC32电路组成33电路中A1为普通运放，A2为仪用放大器（如AD620）。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。346.2.2

电流/电压变换器35电流/电压变换器（CVC）用来将电流信号变换为成正比的电压信号。用途：36可作为微电流测量装置来测量漏电流；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；在数字／模拟转换器中是一种常见的输出电路形式。37特点：38变换系数就是RF值；可用在输出端直接测定输入电流值大小；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：一是大阻值的电阻精度差；二是输出电阻大。实用测量微弱电流信号的电流/电压变换电路3940电路改进41采用T型电阻网络替代大阻值电阻，这时RF可采用较小阻值的电阻；在电阻RF的两端并接一个小电容可以降低噪声，该电容本身的漏电流应足够小。注意事项42测量电流is的下限值受运放本身的输入电流iB所限制，iB值越大，则带来的测量误差也越大；通常希望iB的数值应比被测电流is低1～2个数量级以上；一般通用型集成运放本身的输入电流在数十至数百nA的量级，因此只适宜用来测量微安级电流；若需要测量更微弱的电流，可采用CMOS管运放，该运放放大器的输入电流iB可降至皮安级。6.3

波形变换43方波、三角波和正弦波是常见的波形，经常需要在它们之间进行变换。波形变换的方法很多，只讲解集中经典的波形变换的方法。具体变换44三角波变换成正弦波方波变换成正弦波三角波变换成方波正弦波变换成方波方波变换成三角波正弦波变换成三角波6.3.1

三角波和方波变换成正弦波对于周期性的三角波，按傅里叶级数展开。然后用低通滤波器将三次以上的高次谐波滤掉，就得到了正弦波。45傅里叶级数46方波变换成正弦波47方法48周期性的方波变换成正弦波，也是采用低通滤波器滤掉三次以上的高次谐波；由于方波中的高次谐波的幅值比三角波中的要高，为了得到较好的变换效果，应该采用更高阶数的低通滤波器；对于有较大直流分量的方波，要采用隔直电路（高通滤波）以避免输出基线偏离零点。6.3.2

三角波和正弦波变换成方波49三角波和正弦波变换成方波只需要采用施密特触发器或输出箝位的过零比较器即可，按照需要的方波幅值设计即可。6.3.3

方波变换成三角波对于周期性的方波变换成三角波，可以直接采用积分器，为了准确实现变换，应使:但RC越大，变换精度越高，但三角波得输出幅值越小。50实用方波三角波变换电路51电阻RF是为了提供直流负反馈而加上去的，没有RF会使电路的输出基线随时间越来越偏离零点；RF的取值应尽量地大。52电路说明6.3.4 正弦波变换成三角波53正弦波可以通过施密特触发器或过零比较器转换为方波，再通过积分器转化成三角波。6.4

电压/频率变换与频率/电压变换54电压/频率变换频率/电压变换用集成芯片实现电压/频率和频率/电压变换6.4.1

电压/频率变换电压/频率变换电路（VFC）应用十分广泛，在不同的应用领域有不同的名称。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。55电压/频率变换电路（VFC）56工作过程5758实际的VFC电路59初始状态60工作过程6162周期的计算63结论64采用555的恢复型VFC注意：此电路中，0为高电平，-Vcc为低电平。6566用555定时器组成单稳态触发器67单稳态触发器有一个稳态和一个暂稳态；在触发脉冲作用下，由稳态翻转到暂稳态；暂稳状态维持一段时间后，自动返回到稳态。68工作过程69无触发信号输入时，电路工作在稳定状态当vi=1时，电路工作在稳定状态，即Vo=0Vi下降沿触发当触发器输入端施加触发信号，（Vi<VCC/3），电路从低电平跳变为高电平。当Vi下降沿到达时，Vo由0跳变为1，电路由稳态转入暂稳态。70（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，三极管T截止，VCC经R向C充电。vC由0V开始增大，在vC上升到2/3VCC之前，电路保持暂稳态不变。（4）自动返回（暂稳态结束）时间当vC上升至2/3VCC时，vO由1跳变0，三极管T由导通，电容

C经T迅速放电，电压vC迅速降至0V，电路由暂稳态重新转入稳态。71采用555的恢复型VFC注意：此电路中，0为高电平，-Vcc为低电平。72工作原理7374相对应的频率/电压变换电路也有几种不同的名称：鉴频器（