信号转换与调理案例气门间隙
【案例3.1】图3.3所⽰是AD694在啤酒发酵温度控制系统中的应⽤。啤酒发酵是整个啤酒⽣产过程最重要的环节，对发酵罐内温度的控制是啤酒⽣产⼯艺流程中的关键环节，也是确保啤酒质量、⼝感等特性的关键。发酵罐内麦汁在酵母的作⽤下发酵，并释放反应热，使罐内温度升⾼。LM35温度传感器对发酵罐内温度进⾏采样，信号放⼤后经A/D转换送⾄微处理器。微处理器根据模糊积分控制算法的运算结果将控制信号输出⾄D/A转换器，再放⼤为0-10V的电压信号，最后利⽤AD694进⾏V/I转换，得到4-20mA的电流信号，⾃动调节冷却阀门的开度，使冷却夹套内的冷媒带⾛多余的反应热，实现发酵罐温度的控制。（引⾃参考⽂献16） 图3.3 AD694在啤酒发酵温度控制系统中的应⽤
图3.4是利⽤AD694进⾏V/I转换的电路图。AD694是⼀种单⽚V/I转换器，内部包含有输⼊缓冲放⼤器、V/I转换电路、4mA偏置电流及其选通和微调电路、参考电压输出电路、输⼊量程选择电路、输出开路报警和超限报警电路等，具有精度⾼，抗⼲扰能⼒强等优点。在图3.4中，输⼊量程选择引脚4悬空，表⽰ 声呐输⼊电压范围为0-10V。输⼊缓冲放⼤器⽤来放⼤输⼊信号，图中接为电压跟随器的形式。4mA偏置电流选择引脚9接地，表⽰输出电流范围是4-20mA。由于被驱动的调节阀属于感性负载，因此电流输出引脚11与地之间跨接电容C1，以保证AD694性能的稳定性，其电容值⼀般为0.01µF。另外输出端增加两个⼆极管V D1和V D2，防⽌负载电压过⾼或过低时损坏AD694。
V
图3.4 利⽤AD694进⾏V/I转换的电路
【案例3.2】图3.6所⽰是LM331在⾹烟包装机温度检测中的应⽤。烟盒纸的粘合需要热熔胶，安装外层透明纸和丝带时需要加热器达到⼀定温度才能完成，这些都需要对温度进⾏控制，以避免材料被烫坏或粘贴不牢。⾹烟包装机的⼯作环境⽐较恶劣，且温度信号需要进⾏较长距离的传输。因此可以将热电偶输出的电压信号放⼤后再利⽤LM331转换为频率信号，频率信号经长距离传输通过光电隔离送⼊微处理器，微处理器对该频率信号进⾏处理，输出控制信号经功率放⼤后驱动可控硅，利⽤过零触发⽅式控制加热器电源的通断。（引⾃参考⽂献17）
图3.6 LM331在⾹烟包装机温度检测中的应⽤
图3.7是利⽤LM331进⾏V/F 转换的电路图，其中R t 、C t 、⽐较器A 2、三极管V 1和RS 触发器等组成单稳定时器。当7脚输⼊电压U i ⼤于6脚电压U c 时，⽐较器A 1输出⾼电平，使RS 触发器置位，Q 输出⾼电平，三极管V 2导通，3脚输出低电平，同时开关K 闭合，电流源对电容C L 充电。此时V 1截⽌，电源也通过电阻R t 对电容C t 充电。当C t 的充电电压⼤于10V （2/3倍的电源电压）时，⽐较器A 2输出⾼电平，使RS 触发器复位，Q 输出低电平，三极管V 2截⽌，3脚输出⾼电平，同时开关K 断开，电容C L 通过电阻R L 放电。此时V 1导通，电容C t 通过V 1迅速放电。当C L 的放电电压⼩于输⼊电压U i 时，⽐较器A 1再次输出⾼电平，使RS 触发器置位，如此反复循环，构成⾃激振荡。该电路输出信号的频率
i L
t t S
o 09.2U R C R R f =
（3.6）
图中R 1和C 1组成低通滤波器，减少输⼊电压的脉冲⼲扰，提⾼转换精度。C L 对转换结果没有直接
影响，但应选择漏电流⼩的电容。增益调整电阻R S ⽤于调节充电电流I S 的⼤⼩。
R
图3.7 利⽤LM331进⾏V/F 转换电路
【案例3.3】图3.8所⽰是LM331在齿轮转速测量中的应⽤。齿轮旋转时，接近传感器连续感应到轮齿的转动，其输出信号经整形和电平转换后为TTL 电平的频率信号f i 。LM331等外围元件组成F/V 转换电路，f i 经F/V 转换后输出电压信号U o ，并进⾏低通滤波后输出。
频率信号f i ⾸先经R 1和C 1组成的微分电路变成窄脉冲输⼊LM331，其⽬的是为了消除当齿轮转速过低时，输⼊脉冲低电平宽度过⼤，可能对LM331正常⼯作造成影响。窄脉冲信号送⾄⽐较器A 1的反相输⼊端，A 1的同相输⼊端经电阻R 2、R 3分压后电压固定。当f i 的下降沿到来时，微分电路输出负的尖脉冲，则⽐较器A 1输出⾼电平，使RS 触发器置位，开关K 闭合，电流源对电容C L 充电。此时V 1截⽌，电源也通过电阻R t 对电容C t 充
电。当C t 的充电电压⼤于2/3倍的电源电压时，⽐较器A 2输出⾼电平，使RS 触发器复位。此时Q 输出⾼电平，三极管V 1导通，电容C t 通过V 1迅速放电，同时开关K 断开，电容C L 通过电阻R L 放电，
完成⼀次充放电过程。此后每当f i 的下降沿到来时，电路重复上述⼯作过程。频率信号f i 越⾼，电容C L 上积累的电荷就越多，输出电压U o （电容C L 两端的电压）就越⼤，实现了F/V 转换。输出电压U o 与f i 的关系为
i S
L
t t o 09.2f R R C R U =
（3.7）
图3.8 LM331在齿轮转速测量中的应⽤
【案例3.4】AD1674是美国AD 公司⽣产的12位逐次逼近型并⾏输出A/D 转换器，也可实现8位转换。该芯⽚内部集成有采样/保持电路、10V 基准电压源、时钟电路以及三态输出缓冲器，转换速率为100KSPS 。AD1674有V 10和V 20两个模拟信号输⼊端，既允许单极性输⼊，也允许双极性输⼊。
AD1674有两种⼯作模式：独⽴⼯作模式和完全控制模式。前者常⽤于具有专⽤输⼊端⼝的情况，不需要使⽤全部接⼝控制信号，启动转换时刻⽐完全受控模式更精确。完全控制模式要使⽤全部接⼝控制信号，适⽤于系统中地址总线上挂接有多个设备的情况，此时对各种控制信号的时序要求严格，若时序不符合AD1674的要求，电路⽆法正常⼯作。
AD1674单极性输⼊和双极性输⼊的连接线路如图3.9所⽰。13引脚的模拟输⼊电压范围为0-10V （单极性输⼊）或-5-+5V （双极性输⼊），也可以在14引脚接⼊单极性（0-20V ）或双极性（-10-+10V ）的模拟输⼊电压。图中1P R ⽤于零点调整，2P R ⽤于满刻度调整。应该注意AD1674使⽤独⽴的模拟地和数字地，⼆者应该分开，以减⼩地线环路。
独⽴⼯作模式下AD1674与单⽚机51C 89的接⼝电路如图3.10所⽰，其中AD1674的输⼊为-5-+5V 的双极性模拟电压。因为AD1674模拟量输⼊端的输⼊阻抗⽐较低，所以待转换的模拟信号⾸先经过电压跟随器进⾏阻抗变换，再接⾄AD1674的10V IN 输⼊端。
+
-
（a）单极性输⼊（b）双极性输⼊
图3.9 AD1674单极性和双极性输⼊的接线图
5V
±
图3.10 AD1674与51
C
89的接⼝电路
【案例3.5】DAC1208与单⽚机51
C
89的接⼝电路如图3.11所⽰。转换结果通过引脚OUT1
I和2
OUT
I以电流形式输出，运算放⼤器A的作⽤是将输出电流转换为电压，输出电压o u 为单极性⽅式，且
为了饮食安全
4096
REF
o
U
D
u-
=（3.10）
式中：D——输⼊的12位数字量0
1
1
10
10
11
11
2
2
2
2?
+
+
+
+
d
d
d
d ，取值为0~4095。
图中AD581是美国AD公司⽣产的⾼精度集成稳压器，其输⼊电压范围是+10~+40V，输出电压是+10V±5mV。
图3.11 DAC1208与51C 89的接⼝电路
被控对象需要双极性电压时，可按照图3.12所⽰接线，其中A 1和A 2均为运算放⼤器，由A 2的反相输⼊端虚地和式（3.10）可知
图3.12 DAC1208的双极性电压输出⽅式
-=====++40962,2,0REF
1o REF 32o 21o 1321U D u R U i R u i R u i i i i 解上述⽅程组可得
()
2048
2048REF
2o U D u -= （3.11）由式（3.11）可知，当参考电压REF U 为正时，若输⼊数字量的最⾼位11d 为“1”，则输出模拟电压2o u 为正；若输⼊数字量的最⾼位11d 为“0”，则输出模拟电压2o u 为负。实际上，参考电压REF U 可取正值或负值。
高要市新桥中学【案例3.6】图3.13（引⾃参考⽂献18）所⽰是DAC1208在程控低通滤波器中的应⽤电路。该电路中DAC1208的参考电压REF U 由电压跟随器A 1提供，输⼊电压i u 和输出电压o u 分别通过电阻1R 和2R 接⾄A 1的同相输⼊端，因此有
o 2
11
i 212REF u R R R u R R R U +++=
（3.12）
图3.13 DAC 1208在程控低通滤波器中的应⽤
DAC1208的I OUT1端输出的模拟电流
4096
REF 1OUT D
R U i =
（3.13）
式中：R ——DAC1208内部T 型⽹络的电阻，R ⼀般为15k Ω。
运算放⼤器A 2的输出电压
OUT1o 21
i fC
j u π-
= （3.14）将式（3.13）和（3.14）代⼊式（3.12）中，可以求出输⼊信号为i u 、输出信号为o u 时，电路的频率特性)(f H τ
πf j R R f H 211
)(12+-
= （3.15）
式中1
21)
(4096R R R RC D +=
τ。
由式（3.15）可知，图 3.13所⽰电路属于⼀阶低通滤波器，该滤波器的截⽌频率c
f （πτ
21c =
f ）与输⼊的12位数字量D 有关。利⽤微处理器改变D 值即可改变截⽌频率c f ，
达到程序控制低通滤波器参数的⽬的。
【案例 3.7】在光纤通讯系统中，光发射电路主要由光源驱动器、光源（如发光⼆极管LED 或半导体激光器LD 等）、光功率⾃动控制电路、检测器、温度⾃动控制以及报警电路等部分组成。光功率⾃动控制电路的作⽤是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。图3.15（
引⾃参考⽂献19）所⽰是INA114在光功率⾃动控制电路中的应⽤，其中光敏⼆极管PIN ⽤于检测激光器LD 的辐射功率，⼆者往往集成在⼀起。
廉政风暴图3.15 INA114在光功率⾃动控制电路中的应⽤
PIN 输出的光电流通过电阻R 1转换为电压信号，送⾄INA114的反相输⼊端2脚。R 2
和R p2提供参考电压，接⾄INA114的同相输⼊端。INA114对同相和反相输⼊端的电压差值进⾏放⼤，电位器R p1⽤于调节NA114的增益G 。运算放⼤器A 1和A 2均接成电压跟随器，⽬的是实现对激光器LD 的恒流驱动。R 4为限流电阻，肖特基⼆极管V D2与LD 反向并联，防⽌反向过冲电压冲击激光器。
电压跟随器A 2将激光器两端的电压U 2送⾄INA114的5脚，INA114的输出电压
REF i i o )(U U U G U +-=-+ （3.19）
因为o 1U U =，且REF 2U U =，结合式（3.19）可知流过激光器LD 的电流
4
我所理解的教育技术i i 421)
(R U U G R U U I -+-=-=
（3.20）正常状态下，激光器LD ⼯作在设定的⼯作点，流过LD 的电流I 与LD 的输出辐射功率保持稳定的平衡状态。当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R 1上的电位升⾼。此时INA114的输出电压U o 降低，即U 1也降低，由式（3.20）可见流过激光器LD 的电流I 也相应降低，从⽽达到降低LD 辐射功率的⽬的；当激光器LD 的辐射功率降低时，PIN 的光电流相应降低，INA114的输出电压升⾼，进⽽增⼤LD 的驱动电流，达到增强LD 辐射功率的⽬的。
【案例3.8】图3.16所⽰是AD526在超声波测距中的应⽤电路。超声波测距是⽬前⼴泛使⽤的⼀种测距⽅法，其原理是利⽤超声波在介质中传播损耗⼩、速度快等优点，以电声换能器⾃起始点向被测物体发射超声波，被测物体的反射回波信号再被电声换能器接收。利⽤该⽅法可测得超声波在介质中传播的时间，根据超声波在介质中的速度和传播时间即可确定声源（起始点）⾄被测物体的距离。
当被测距离较短时，超声回波信号较强；⽽被测距离较长时，超声回波信号较弱。因此在超声回波接收电路中采⽤两⽚
AD526串联组成可变增益放⼤器，保证弱信号有⾜够的增益，同时⼜避免强信号时阻塞电路。
图3.16中电声换能器采集的超声回波信号经过选频放⼤和模拟开关后送⼊AD526组成的可变增益放⼤器，信号放⼤后经检波电路提取回波脉冲，最后经A/D 转换后送⼊微处理器。微处理器根据输⼊信号的幅值⾃动调整两⽚AD526的增益，保证在整个测量范围处理后的回波信号具有合适的动态范围。
该系统采⽤⼀个换能器兼作超声波的发射与接收，因此电路中设置了模拟开关，以保证在发射超声波时接收电路关闭，避免⼲扰。
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