信号转换与调理案例(DOC)

信号转换与调理案例

【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。