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 Lt t So 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 SLt 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51C89的接口电路【案例3.5】DAC1208与单片机51C89的接口电路如图3.11所示。

转换结果通过引脚OUT1I和2OUTI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4096REFoUDu-=（3.10）式中：D——输入的12位数字量011101011112222⨯+⨯++⨯+⨯dddd ，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⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=====++40962,2,0REF1o 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()20482048REF2o 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。

【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 211i 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4096REF 1OUT DR 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 21i fCj 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 Hτπf j R R f H 211)(12+-= （3.15）式中121)(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cf （πτ21c =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。

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4i 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。