第6章 信號線性變換1內容提要概述電壓/電流變換器和電流/電壓變換器波形變換電壓/頻率變換與頻率/電壓變換26.1

概述3在信號的測量、處理、傳輸、記錄與顯示以及控制等領域中滿足不同設備等需要，廣泛地應用各類信號變換技術。線性變換4非線性變換信號變換的分類線性變換5線性變換是采用線性電路來完成的，線性變換只能改變信號頻譜分量的相對大小，而不會產生新的頻率成分。某些波形變換、電壓電流變換可依靠線性變換電路來完成。非線性變換6非線性變換是采用非線性電路來完成的，利用非線性電路可以實現頻率變換等。信號的非線性變換主要應用于信號的傳輸方面，特別是信號的遠距離傳輸，也就是信號的遙傳。按信號變換的內容分類：7電量與非電量間的變換模擬量與數字量間的變換電壓（或電流）與頻率（或時間）間的變換交流與直流間的變換功率變換波形變換頻率變換信號線性變換電路的一般要求8輸出信號與輸入信號呈線性關系；有足夠高的輸入阻抗；有足夠的驅動能力和動態范圍；滿足應用的其他要求，如電源、功耗、頻率以至于工藝、成本等等的要求。6.2

電壓/電流變換器和電流/電壓變換器9在實際控制應用中,存在多種多樣的信號檢測和傳送,為了應用方便,國際電工委員會(IEC)將直流電流信號4～20mA和直流電壓信號1～5V確定為過程控制系統電模擬信號的統一標準。電壓與電流的變換是最基本的電量變換，其實質是恒壓源與恒流源之間的相互轉換。由于恒壓源的內阻遠小于負載電阻，恒流源的內阻遠大于負載電阻。故此，將電壓轉換為電流一般采用輸出阻抗高的電流負反饋電路，而將電流轉換為電壓一般采用輸出阻抗低的電壓負反饋電路。電壓/電流變換器電流/電壓變換器10具體變換6.2.1

電壓/電流變換器11電壓/電流變換器（VCC）的作用是將電壓信號變換為與電壓成正比的電流信號。用 途：12常用作傳感器或其他檢測電路中的基準（參考）恒流源；在磁偏轉的示波裝置中常用來將線性變化電壓變換成掃描用的線性變化電流；在控制系統中作為可控電流源驅動某些執行裝置，如記錄儀記錄筆的偏轉和電流表的偏轉。模擬電流表等。分類13VCC按負載接地與否可分為負載浮地型和負載接地型兩類。一、負載浮地型電壓/電流變換器14反相式同相式電流放大式大電流和高電壓負載浮地15負載兩端都沒有直接接地。反相式16特點：負載阻抗中的電流與輸入電壓成正比，與負載阻抗無關；信號源和負載上都有較大的電流值。17同相式18特點：負載阻抗中的電流與輸入電壓成正比，與負載阻抗無關；信號接于運算放大器的同相端，由于同相端有較高的輸入阻抗，因而信號源只要提供很小的電流。19電流放大式20推導：21由上式可知，調節R1，R2和R3都能改變VCC的變換系數，只要合理地選擇參數，電路在較小的輸入電壓

Vi作用下，就能給出較大的與Vi成正比的負載電流。負載電流iL主要由運放提供，信號源只要提供很小的電流，此時需要R1

的值較大。但該電路要求運放給出較高的輸出電壓。22討論：大電流和高電壓輸出23當需要較大的輸出電流，或較高的輸出電壓時，普通的運放可能很難滿足要求。此時需要接晶體管組成大電流輸出電壓/電流變換器。大電流和高電壓輸出的VCC電路24特點：25由于采用了三極管T來提高驅動能力，其輸出電流可高達幾安培，甚至于幾十安培。采用同相輸入方式，具有很高的輸入阻抗，信號源只要提供很小的電流。當負載ZL的阻抗值較高時，電路中的運放仍然需要輸出較高的電壓。該電路只能用于Vi>0的信號。改進型大電流和高電壓輸出26

為晶體管T的直流電流增益。選用

值較大的晶體管，可有

>>1，則27特點：28可以滿足負載ZL的阻抗值較高時需要較高輸出電壓的要求，該電路同時也能給出較大的負載電流。由于采用同相輸入方式，也具有很高的輸入阻抗。電路應選用

值較大的晶體管才能得到較高的精度。該電路只能用于Vi>0的信號。二、負載接地型電壓/電流變換器2930特點只要滿足 ，該電路便能給出與輸入電壓Vi成正比的電流iL輸出，而且與負載阻抗無關；為了減小R3上的壓降，應將R3和RF

（關聯）取小一些，而為了減小信號源的損耗，應選用較大的R1和R2值；該電路最大的缺點是引入了正反饋，使得電路的穩定性降低。31高性能負載接地型VCC32電路組成33電路中A1為普通運放，A2為儀用放大器（如AD620）。特點：該電路既可以在負載接地的情況下得到很高的變換精度，又具有很高的工作穩定性。346.2.2

電流/電壓變換器35電流/電壓變換器（CVC）用來將電流信號變換為成正比的電壓信號。用途：36可作為微電流測量裝置來測量漏電流；在使用光敏電阻、光電池等恒電流傳感器的場合，是一個常見的光檢測電路；在數字／模擬轉換器中是一種常見的輸出電路形式。37特點：38變換系數就是RF值；可用在輸出端直接測定輸入電流值大小；若被測電流IS很小，為了要有一定的輸出電壓數值應該取較大的RF值，但RF值越大，必然帶來兩個問題：一是大阻值的電阻精度差；二是輸出電阻大。實用測量微弱電流信號的電流/電壓變換電路3940電路改進41采用T型電阻網絡替代大阻值電阻，這時RF可采用較小阻值的電阻；在電阻RF的兩端并接一個小電容可以降低噪聲，該電容本身的漏電流應足夠小。注意事項42測量電流is的下限值受運放本身的輸入電流iB所限制，iB值越大，則帶來的測量誤差也越大；通常希望iB的數值應比被測電流is低1～2個數量級以上；一般通用型集成運放本身的輸入電流在數十至數百nA的量級，因此只適宜用來測量微安級電流；若需要測量更微弱的電流，可采用CMOS管運放，該運放放大器的輸入電流iB可降至皮安級。6.3

波形變換43方波、三角波和正弦波是常見的波形，經常需要在它們之間進行變換。波形變換的方法很多，只講解集中經典的波形變換的方法。具體變換44三角波變換成正弦波方波變換成正弦波三角波變換成方波正弦波變換成方波方波變換成三角波正弦波變換成三角波6.3.1

三角波和方波變換成正弦波對于周期性的三角波，按傅里葉級數展開。然后用低通濾波器將三次以上的高次諧波濾掉，就得到了正弦波。45傅里葉級數46方波變換成正弦波47方法48周期性的方波變換成正弦波，也是采用低通濾波器濾掉三次以上的高次諧波；由于方波中的高次諧波的幅值比三角波中的要高，為了得到較好的變換效果，應該采用更高階數的低通濾波器；對于有較大直流分量的方波，要采用隔直電路（高通濾波）以避免輸出基線偏離零點。6.3.2

三角波和正弦波變換成方波49三角波和正弦波變換成方波只需要采用施密特觸發器或輸出箝位的過零比較器即可，按照需要的方波幅值設計即可。6.3.3

方波變換成三角波對于周期性的方波變換成三角波，可以直接采用積分器，為了準確實現變換，應使:但RC越大，變換精度越高，但三角波得輸出幅值越小。50實用方波三角波變換電路51電阻RF是為了提供直流負反饋而加上去的，沒有RF會使電路的輸出基線隨時間越來越偏離零點；RF的取值應盡量地大。52電路說明6.3.4 正弦波變換成三角波53正弦波可以通過施密特觸發器或過零比較器轉換為方波，再通過積分器轉化成三角波。6.4

電壓/頻率變換與頻率/電壓變換54電壓/頻率變換頻率/電壓變換用集成芯片實現電壓/頻率和頻率/電壓變換6.4.1

電壓/頻率變換電壓/頻率變換電路（VFC）應用十分廣泛，在不同的應用領域有不同的名稱。在無線電技術中，它被稱為頻率調制（FM）；在信號源電路中，它被稱為壓控振蕩器（OSC）；在信號處理與變換電路中，它又被稱為電壓/頻率變換電路和準模/數轉換電路。55電壓/頻率變換電路（VFC）56工作過程5758實際的VFC電路59初始狀態60工作過程6162周期的計算63結論64采用555的恢復型VFC注意：此電路中，0為高電平，-Vcc為低電平。6566用555定時器組成單穩態觸發器67單穩態觸發器有一個穩態和一個暫穩態；在觸發脈沖作用下，由穩態翻轉到暫穩態；暫穩狀態維持一段時間后，自動返回到穩態。68工作過程69無觸發信號輸入時，電路工作在穩定狀態當vi=1時，電路工作在穩定狀態，即Vo=0Vi下降沿觸發當觸發器輸入端施加觸發信號，（Vi<VCC/3），電路從低電平跳變為高電平。當Vi下降沿到達時，Vo由0跳變為1，電路由穩態轉入暫穩態。70（3）暫穩態的維持時間在暫穩態期間，三極管T截止，VCC經R向C充電。vC由0V開始增大，在vC上升到2/3VCC之前，電路保持暫穩態不變。（4）自動返回（暫穩態結束）時間當vC上升至2/3VCC時，vO由1跳變0，三極管T由導通，電容

C經T迅速放電，電壓vC迅速降至0V，電路由暫穩態重新轉入穩態。71采用555的恢復型VFC注意：此電路中，0為高電平，-Vcc為低電平。72工作原理7374相對應的頻率/電壓變換電路也有幾種不同的名稱：鑒頻器（