積分電路的原理

-.z.引用什么是積分電路？積分電路的原理積分電路定義

輸出信號與輸入信號的積分成正比的電路，稱為積分電路。

從圖中可以看出，Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,當t=to時，Uc=Oo.隨后C充電，由于RC≥Tk,充電很慢，所以認為Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故

Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫icdt

這就是輸出Uo正比于輸入Ui的積分〔∫icdt〕

RC電路的積分條件：RC≥Tk電路構(gòu)造如圖J-1，積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉(zhuǎn)換為拋物波。電路原理很簡單，都是基于電容的沖放電原理，這里就不詳細說了，這里要提的是電路的時間常數(shù)R*C，構(gòu)成積分電路的條件是電路的時間常數(shù)必須要大于或等于10倍于輸入波形的寬度。1:積分電路可以使輸入方波轉(zhuǎn)換成三角波或者斜波2:積分電路電阻串聯(lián)在主電路中，電容在干路中3：積分電路的時間常數(shù)t要大于或者等于10倍輸入脈沖寬度4：積分電路輸入和輸出成積分關系積分電路的設計可按以下幾個步驟進展：1．選擇電路形式積分電路的形式可以根據(jù)實際要求來確定。

假設要進展兩個信號的求和積分運算，應選擇求和

積分電路。假設只要求對*個信號進展一般的波形變換，可選用根本積分電路。根本積分電路如圖1

所示：2．確定時間常數(shù)τ=RC

τ的大小決定了積分速度的快慢。由于運算放大器的最大輸出電壓Uoma*為有限值〔通

常Uoma*=±10V左右〕，因此，假設τ的值太小，則還未到達預定的積分時間t之前，運放已經(jīng)

飽和，輸出電壓波形會嚴重失真。所以τ的值必須滿足：當ui為階躍信號時，τ的值必須滿足：另外，選擇τ值時，還應考慮信號頻率的上下，對于正弦波信號ui=Uimsinωt，積分電

路的輸出電壓為：因此，當輸入信號為正弦波時，τ的值不僅受運算放大器最大輸出電壓的限制，而且與

輸入信號的頻率有關，對于一定幅度的正弦信號，頻率越低τ的值應該越大。

3．選擇電路元件

1〕當時間常數(shù)τ=RC確定后，就可以選擇R和C的值，由于反相積分電路的輸入電阻

Ri=R，因此往往希望R的值大一些。在R的值滿足輸入電阻要求的條件下，一般選擇較大的

C值，而且C的值不能大于1μF。

2〕確定RP

RP為靜態(tài)平衡電阻，用來補償偏置電流所產(chǎn)生的失調(diào)，一般取RP=R。

3〕確定Rf

在實際電路中，通常在積分電容的兩端并聯(lián)一個電阻Rf。Rf是積分漂移泄漏電阻，用來

防止積分漂移所造成的飽和或截止現(xiàn)象。為了減小誤差要求Rf≥10R。

4．選擇運算放大器

為了減小運放參數(shù)對積分電路輸出電壓的影響，應選擇：輸入失調(diào)參數(shù)〔UIO、IIO、IB〕

小，開環(huán)增益〔Auo〕和增益帶寬積大，輸入電阻高的集成運算放大器。對于圖1所示的根本積分電路，主要是調(diào)整積分漂移。一般情況下，是調(diào)整運放的外接

調(diào)零電位器，以補償輸入失調(diào)電壓與輸入失調(diào)電流的影響。調(diào)整方法如下：先將積分電路的

輸入端接地，在積分電容的兩端接入短路線，將積分電容短路，使積分電路復零。然后去掉

短路線，用數(shù)字電壓表〔取直流檔〕監(jiān)測積分電路的輸出電壓，調(diào)整調(diào)零電位器，同時觀察

積分電路輸出端積分漂移的變化情況，當調(diào)零電位器的值向*一方向變化時，輸出漂移加快，而反方向調(diào)節(jié)時，輸出漂移變慢。反復仔細調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，直到積分電路的輸出漂移最小

為止。：方波的幅度為2伏，方波的頻率為500Hz，要求設計一個將方波變換為三角波的

積分電路，積分電路的輸入電阻Ri≥10kΩ，并采用μA741型集成運算放大器。

設計步驟：

1．選擇電路形式

根據(jù)題目要求，選用圖2反相積分電路。2．確定時間常數(shù)τ=RC

要將方波變換為三角波，就是要對方波的每半個周期分別進展不同方向的積分運算。

當方波為正半周時，相當于向積分電路輸入正的階躍信號；當方波為負半周時，相當于向積

分電路輸入負的階躍信號。因此，積分時間都等于。由于μA741的最大輸出電壓U=±10V左右，所以，τ的值必須滿足：由于對三角波的幅度沒有要求，故取τ=0.5ms。

3．確定R和C的值

由于反相積分電路的輸入電阻Ri≥10kΩ，故取積分電阻R=Ri=10kΩ。

因此，積分電容：4.確定Rf和RP的值

為了減小Rf所引起的積分誤差，取"="=×==kRRf

1001010101054

平衡電阻RP為："≈""==kkkRRRfp1.9100//10//

0引言A／D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要局部，也是計算機應用系統(tǒng)中一種重要的功能接口。目前市場上有兩種常用的A／D轉(zhuǎn)換芯片，一類是逐次逼近式的，如AD1674，其特點是轉(zhuǎn)換速度較高，功率較低。另一類是雙積分式的，如ICL7135，其特點是轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾能力強。但高位數(shù)的A／D轉(zhuǎn)換器價格相對較高。本文介紹的一種基于單片機的高精度、雙積分型A／D轉(zhuǎn)換電路，具有電路體積小、本錢低、性價比高、構(gòu)造簡單、調(diào)試容易和工作可靠等特點，有很好的實際應用價值。1雙積分式ADC根本原理雙積分式ADC的根本電路如圖1所示，運放A1、R、C用來組成積分器，運放A2作為比擬器。電路先對未知的模擬輸入電壓U1進展固定時間T1的積分，然后轉(zhuǎn)為對標準電壓U0進展反向積分，直到積分輸出返回起始值，反向積分時間為T0。如圖2所示，輸入電壓U1越大，則反向積分時間越長。整個采樣期間，積分電容C上的充電電荷等于放電電荷，因而有由于U0及T1均為常數(shù)，因而反向積分時間T0與輸入模擬電壓U1成正比，此期問單片機的內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)值與信號電壓的大小成正比，此計數(shù)值就是U1所對應的數(shù)字量。2實用雙積分A／D轉(zhuǎn)換電路1)硬件電路圖如圖3所示，運放A1、R、C構(gòu)成積分電路，C常取0．22μF的聚丙烯電容，R常取500KΩ左右，A2是電壓跟隨器，為電路提供穩(wěn)定的比擬電壓，運放A3作為電壓比擬器，保證A／D轉(zhuǎn)換電平迅速翻轉(zhuǎn)，CD4051是多路選擇開關，單片機P1．0、P1．1、P1．2作為輸出端口，控制其地址選擇端A、B、C選擇不同的通道輸入到積分器A1，U為將要進展A／D轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓，Uin為積分器的輸入電壓，U0為比擬電壓，U1為基準電壓，為使A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果具有更高的精度，基準電路應該提供準確的電壓，建議使用精度為1％的精細電阻，單片機使用89C51，其內(nèi)部定時器T0為積分電路提供準確的時間定時，計數(shù)器T1用來記錄反向積分時間，INT0用來檢測比擬器電平變化。所需測量的模擬輸入信號和零點參考電壓以及基準電壓接到多路選擇開關的輸入端，通過單片機中的程序控制，輪流選擇接入各路輸入信號，通過積分電路分別和固定電壓進展定時或定值積分。積分電路的輸出信號作為比擬器的輸入信號與比擬電壓進展比擬，當比擬器輸出翻轉(zhuǎn)信號時，CPU計數(shù)器停頓計數(shù)，從而獲得零點參考電壓的計數(shù)值，對這個數(shù)據(jù)進展處理計算后，完成A／D轉(zhuǎn)換。2)轉(zhuǎn)換過程為了給積分電路提供積分零點，在系統(tǒng)上電階段，積分電路先接通GND，待比擬器輸出為低電平時，再對積分電路進展一段時間的放電，以使得積分電容零電荷。因此雙積分電路的工作過程分為三個階段：(1)清零階段：當比擬器輸出低電平時，積分電容上聚集了大量電荷，必須對其放電為后續(xù)的A／D轉(zhuǎn)換提供準確的零起始點。即對U0進展定值積分，由由此可見放電時間根據(jù)U0、U1、R、C具體值而定。(2)積分階段：對模擬輸入電壓Uin進展固定時間積分，積分時長T1，由A／D的精度決定，精度越高積分時間越長，此階段積分器的輸出電壓(3)比擬階段：對模擬輸入電壓進展定時積分后，再對零電平進展反向積分直到比擬器的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此階段積分器的輸出電壓為由比擬器原理得U10=U1，由此可得其中T1、U0、R、C、U1均為常數(shù)，即對零電平的積分時間T0與模擬輸入電壓U成正比，T0即為所求值。具體轉(zhuǎn)換波形如圖4所示。3)軟件設計單片機內(nèi)部定時器T0分別控制對基準電壓和模擬電壓的定時積分，計數(shù)器T1用來記錄反向積分時間，P1．0、P1．1、P1．2控制多路選擇開關的通道，且單片機以查詢方式檢測比擬器的輸出電平。以上分析可知該系統(tǒng)A／D轉(zhuǎn)換流程圖如圖5所示。3電路特點分析由上述分析可知，模擬電壓U大于基準電壓U1時，在對模擬電壓U定時積分后對零電平進展定值積分，波形圖如圖4所示。而當模擬電壓U小于基準電壓U1時，在對模擬電壓U定時積分后應對U0進展定值積分，只需在軟件設計上加以區(qū)別或提供負值的基準電壓即可。本電路充分利用了單片機本錢低廉、可靠性高的優(yōu)勢，主要元件僅僅為一個單片機89C51、一個多通道模擬開關CD4051、一個四運放LM324，因而構(gòu)造簡單，性價比高。實際應用說明，此雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器的特點是工作性能穩(wěn)定并且抗干擾能力比擬強，但從原理分析可知，該電路存在固有的延遲，因此不適合采集連續(xù)快速變化的信號。4完畢語本設計電路保存了雙積分A／D轉(zhuǎn)換的主要特點