第6章 過程輸入通道與接口

第6章過程輸入通道與接口過程通道是在微機和生產過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道，它包括數字量輸入通道，模擬量輸入通道，數字量輸出通道，模擬量輸出通道。6.1輸入通道的結構與信號變換

表6.1.1輸入信息分類與通道對照表信息種類信息來源通道類型數字量開關量輸入閥門的開關，接點的通、斷，電平的高、低等數字量輸入通道數據數碼各類數字傳感器、控制器等脈沖量輸入長度、轉速、流量測定轉換等中斷輸入操作人員請求、過程報警等模擬量電流信號壓力、溫度、液位、速度、重量、位移等模擬量輸入通道電壓信號6.1.1數字量輸入通道DI1.輸入信號調理電路圖6.1.1輸入信號調理電路

2.防抖動輸入電路圖6.1.2所示為一雙穩(wěn)態(tài)消抖器圖6.1.2雙穩(wěn)態(tài)消抖器

3.防干擾輸入隔離電路圖6.1.3防干擾輸入隔離電路a)光耦式輸入電路

常見隔離技術有以下兩種。一種是光電隔離技術，其原理是輸入，輸出之間來用光耦合，如圖6.1.3中a)所示。另一種是變壓器耦合輸入，見圖6.1.3中b)所示。b)變壓器耦合輸入電路

6.1.2模擬量輸入通道AI1.AI通道的一般結構圖6.1.4并行轉換結構圖6.1.5所示為多路模擬輸入通道的一般結構。由圖可見，多路AI由信號處理、多路開關、放大器、采樣保持器和模數轉換器組成。圖6.1.5AI通道的一般結構

2.AI通道中的信號變換模擬信號到數字信號的轉換包括信號采樣和量化兩個過程。

1）信號的采樣信號的采樣過程如圖6.1.6所示圖6.1.6信號的采樣過程2）量化采樣信號在時間軸上是離散的，但在函數軸上仍然是連續(xù)的，因為連續(xù)信號Y（t）幅值上的變化，也反映在采樣信號Y*（t）上。

q=(Ymax—Ymin)/2（6.1.1）量化過程實際上是一個用q去度量采樣值幅值高低的小數歸整過程，存在±1/2q的量化誤差。例如，q=20mv，量化誤差為±10mv，1.009—0.99范圍內的采樣值，其量化結果是相同的。

3.AI的常用器件及電路

1）多路開關圖6.1.7CD4051的結構原理

表6.1.2CD4051通道選送表INHCBA所選通道0000VI00001VI10010VI20011VI30100VI40101VI50110VI60111VI71XXXVI0～VI7均未選中

VIi（i=0，1...,7）被選中時，V0與VIi接通。

2）采樣保持器（S/H）圖6.1.8a）所示為典型的采樣保持器的基本電路。圖6.1.8b所示為其各工作狀態(tài)的波形。在選擇采樣保持器時，要注意以下幾個主要參數：1）孔徑時間2）捕捉時間3）保持時間

4）輸出電壓變化率dv0/dt3)電流/電壓(I/V)變換現場變送器輸出的信號為0~10mA或4~20mA的統(tǒng)一信號，需經I/V變換成為電壓信號，以下是兩種變換電路。（1）無源I/V變換無源I/V變換主要是利用無源器件電阻來實現,并加濾波和輸出限幅等保護措施,如圖6.1.10所示。圖6.1.10無源I/V變換電路圖6.1.11有源I/V變換電路

（2）有源I/V變換該同相放大電路的放大倍數為

A=1+R4/R3（6.1.2)

若取R3=100KΩ，R4=150KΩ，R1=200Ω，則0~10mA輸入對應0~5V的電壓輸出。若取R3=100KΩ，R4=25KΩ，R1=200Ω，則4~20mA輸入對應于1~5V的電壓輸出。

6.2輸入通道AI中常用放大器

6.2.1測量放大器圖6.2.1測量放大器基本電路

測量放大器又稱儀表放大器，一般采用多運放平衡輸入電路，圖6.2.1最最基本的電路根據疊加原理可以分析得到

V01=—(1+R1/RG)Vi-—R1/RGVi

（6.2.1）

V02=—(1+R1/RG)Vi++R1/RGVi(6.2.2)

測量放大器輸出電壓

V0=V01+V02=（1+2R1/RG)(Vi+—Vi-）（6.2.3)

其增益為G=1+2R1/RG

（6.2.4）

由于對兩個輸入信號的差動作用，漂移減少，且具有高輸入阻抗、低失調電壓、低輸入阻抗和高共模抑制比以及線性度較好的高增益。測量放大器的一般結構如圖6.2.2所示，兩個差動輸入端Vi+、Vi-與信號源相連，對通過信號源引入的共模干擾有較高抑制能力。外接電阻RG用來調節(jié)增益，有些放大器還有對放大倍數進行微調的電阻RS。目前許多集成測量放大器芯片可供用戶使用。如AD521、AD522、INA101、WS112等。這里僅以INA101M為例作以介紹。圖6.2.2測量放大器一般結構

由于采用單芯片結構，而且組成的關鍵部件均采用激光微調技術，使其具有較高性能和較低的成本。其主要特性指標為：漂移電壓≤0.25μV/C，偏移電壓≤25μV,線性度≤0.002%,共摸抑制比≥106dB(60Hz),輸入阻抗1010,電源±20V,輸入電壓范圍±20V。圖6.2.3a)為INA101M的一種簡單接法。其增益用外接電阻RG調節(jié)，G=1+40K/RG。RG的基準值和電阻的溫度系數直接影響增益精度和漂移，因此，RG應選用精密電阻。圖6.2.3b)可用來取代a）圖中電位器Rw1,用于調節(jié)偏移電壓，其優(yōu)點是可以使漂移不隨調節(jié)而變化。偏移電壓調整步驟如下：

1）調節(jié)V1=V2=0V(保證輸入端優(yōu)良好的接地）；

2）用RG將增益調至所需要值（注意：偏移量隨增益變化而變化）；3）調節(jié)Rw1,直到輸出為0V±1mV或所需要的值。如果要消除輸出偏移或要求確定與輸入相同的偏移，可采用圖6.2.3c)電路。調節(jié)Rw2,圖6.2.3INA101M基本接線6.2.2可編程放大器圖6.2.1中，改變RG可以改變放大器的增益。圖6.2.4是根據這一原理構成的可編程增益放大器。用RG1～RG8取代原先的RG,選擇其中一個電阻由多路開關CD4051來確定，CD4051狀態(tài)可由計算機通過程序來控制。常用芯片有AD612/614、PGA200/201、PGA100等。AD612/614為典型的三運放結構，片內有精確的電阻網絡使其增益可控。圖6.2.5為其結構原理圖。圖6.2.4分立式可編程增益放大器圖6.2.5AD612/614可編程增益放大器

6.2.3隔離放大器（1）消除由于信號源接地網絡的干擾所引起的測量誤差。（2）測量處于高共模電壓下的低電平信號（3）避免構成地回路及不需要對偏置電流提供返回通路問題。（4）保護應用系統(tǒng)電路不致因輸入端或輸出端大的共模電壓造成損壞。

圖6.2.6變壓器耦合隔離放大器結構示意圖光耦合隔離放大器具有隔離效果好，頻帶寬等優(yōu)點。目前常用的型號有ISO100，圖6．2．7為它的簡化電路圖和引腳圖。由圖可見，利用一個發(fā)光二極管LED和兩個光敏二極管耦合，使輸入與輸出隔離。將發(fā)光二極管LED的光反向送回輸入端（負反饋）、正向送至輸出端，從而提高了放大器的精度、線性度和溫度穩(wěn)定性。其輸入為電流信號，若進行電壓輸入，則利用一外接電阻即可實現，此時Iin=Vin/Rin.圖中A1起著單位增益放大器的作用，A2作為電流電壓轉換器，即在系統(tǒng)穩(wěn)定時，ID1=ID2=-Iin,輸出Vout=-ID2?RF=Iin?RF.只要改變外接電阻RF的值，就能改變增益。ISO100中有兩個精密電流源，用其完成雙極性操作。單極性時，不需要精密電流源，電流源可供外部使用。圖6．2．7ISO100簡化電路和引腳圖6．3A/D轉換器與單片機接口電路6．3．18位轉換器ADC0809與MCS-51單片機接口電路ADC0809是采用逐次逼近法原理的A/D轉換器。1．主要性能（1）分辨率為8位二進制數；（2）模入電壓范圍0~5V，對應A/D轉換值為00H~FFH；（3）每路A/D轉換完成時間為100us；（4）允許輸入8路模擬電壓，通過具有鎖存功能的8路模擬開關，可以分時進行8路A/D轉換；（5）工作頻率為500kHz。輸出與TTL電平兼容。2．ADC0809芯片組成原理ADC0809芯片的組成框圖如圖6．3．1所示圖6．3．1A/D轉換器ADC0809原理框圖

3．ADC0809引腳功能ADC0809采用28只引腳的封裝，雙列直插式。IN0~IN7——8路0~+5V模擬電壓輸入端。DB7~DB0——8位數字輸出線。輸出8位A/D轉換值。START——起動A/D轉換輸入端。若單片機在此引腳加一個正脈沖時，脈沖的上升沿將內部寄存器清0；其下降沿起動A/D進行一次新的轉換。EOC——A/D轉換結束輸出信號，高電平有效。在起動A/D轉換START有效開始EOC=0，表示A/D轉換正在進行中；當轉換一結束，EOC=1。因此EOC可作為A/D轉換狀態(tài)輸出信號，供CPU查詢或用來向CPU申請中斷。OE——允許數字量輸出信號，高電平有效。當OE=1時，打開三態(tài)門，將A/D轉換后的8位數字量放在數據總線DB7~DB0上，供CPU用指令取走。CLOCK——輸入時鐘脈沖端。頻率為500kHz。ADDA、ADDB、ADDC——模入通道IN0~IN7的地址選擇線。可控制8路轉換開關進行8取1切換。ALE——地址鎖存允許輸入信號。鎖存ADDC、ADDB、ADDA。4．ADC0809與8031的硬件接口ADC0809與單片機的接口有兩種方式：一種是將0809通過并行I/O口如8155與單片機連接；另一種是將0809直接與8031連接，這時8031應分配給ADC0809一個外部RAM單元地址。由于ADC0809沒有片選CS端，因此用START和OE端代替CS。ADC0809和單片機接口應解決以下問題（1）8個模入通道IN0~IN7地址的確定由于ADC0809自帶地址鎖存器，可直接將ADDC、ADDB、ADDA和P0.2、P0.1和P0.0連接。（2）工作方式的選擇A/D轉換結束后，CPU可以用查詢方式或中斷方式讀走A/D轉換值。若采用查詢方式，可將EOC連接P1.0，CPU用JNBP1.0，HERE指令查詢。若采用中斷方式，將EOC經一個非門連接INT0，A/D轉換結束后EOC=1，INT0

=0，CPU在INT0中斷服務程序中將A/D轉換值讀走。（3）ADC0809控制信號的產生ADC0809所需控制信號的產生如圖6．3．2所示。圖6．3．2ADC0809所需控制信號的產生

在圖6．3．2中，用單片機P2.7和WR共同控制0809的ALE和起動A/D轉換START端。當P2.7=0、WR=0時，ALE=START=1有效。ALE先鎖存通道地址，然后START起動A/D轉換。上述有效信號的產生由CPU執(zhí)行指令完成：

MOVX@DPTR，A；A中內容任意DPTR的高位DPH使P2.7=0，DPL選通地址，寫操作使WR=0，滿足要求。當A/D轉換結束，EOC=1，通知CPU，而CPU使OE=1才能完成讀A/D轉換值操作。由指令：MOVXA，@DPTR；完成產生RD=0，P2.7=0，使OE=1有效信號，將A/D轉換值讀入A中。滿足上述要求的ADC0809與8031硬件接口見圖6．3．3。按圖連線選通IN0~IN7地址為0000H~0007H。未使用的位P2.6~P2.0、P0.7~P0.3均設為0。ALE4分頻為2個D觸發(fā)器實現。

圖6．3．3ADC0809與8031單片機硬件接口

5．ADC0809芯片A/D轉換程序由圖6．3．3連線和確定的地址，可編制A/D轉換程序。采用用中斷方式進行A/D轉換。用查詢方式浪費CPU時間，采用中斷方式可提高CPU效率。在主程序中對INT0進行初始化，并啟動A/D轉換。當A/D轉換結束EOC=1經INT0=0向CPU發(fā)出中斷申請，CPU在INT0中斷程序中讀A/D轉換值，并啟動下一次A/D轉換，直到8路采集都完成。初始化程序如下：ORG0000HLJMPSTAD8ORG0003HLJMPINADRORG0100H;中斷矢量；轉實際中斷程序入口地址STAD8：MOVR0，#30HMOVDPTR，#0000H；片內RAM區(qū)首地址；選IN0通道地址，P2.7=0MOVR7，#08H；轉換8路A/DSETBEX0；允許中斷SETBEA；開放CPU總中斷MOVX@DPTR，A；啟動IN0A/D轉換，P2.7=0，WR=0L1：LJMPL1；等待A/D轉換結束中斷以下為中斷服務程序：ORG0200H

INADR：MOVXA，@DPTR；輸入A/D轉換值MOV@R0，A；存入片內RAM區(qū)INCR0；修改RAM區(qū)地址INCDPTR；指下一個A/D通道MOVX@DPTR，A；啟動A/D轉換DJNZR7，LOOP；8路未采集完，返回CLREX0；采集完，關中斷LOOP：RETI；中斷返回6．3．212位A/D轉換器與單片機的接口應用A/D574A型12位逐次比較式A/D轉換器是28引腳芯片，可直接與8位或16位單片機連接。1．主要性能（1）分辨率為12位。12位數字量可一次或二次讀出。（2）一次A/D轉換時間為25μs。（3）輸入模擬電壓為2路。單極性輸入為0~+10V或0~+20V；雙極性電壓輸入為±5V或±10V。（4）片內帶有三態(tài)輸出數據鎖存緩沖器。輸出電路與TTL電平兼容。２．AD574A引腳功能（1）輸入控制信號CS——片選端，低電平有效。CE——片使能端，高電平有效。CPU必須使CS和CE同時有效時，AD574A才能工作。否則處于禁止狀態(tài)。R/C——讀出和轉換控制。當R/C=0時，起動A/D轉換；當R/C=1時，讀出A/D轉換值。Ao——決定A/D轉換位數。當Ao=0時，按12位進行A/D轉換；當Ao=1時，按8位進行A/D轉換。12/8——輸出A/D轉換值控制端。當12/8=1時，對應12位A/D轉換值并行輸出；12/8=0，對應8位字節(jié)輸出。CS、CE、R/C、Ao和12/8，用來對AD574進行控制A/D轉換起動、輸出和選擇。

（2）輸出控制信號STS——A/D轉換結束輸出端。起動A/D轉換后STS=1，表示轉換正在進行中；A/D轉換結束，STS=0，可用來向CPU申請中斷或供CPU查詢用。3．AD574A的中斷方式AD574A有兩種工作方式可供用戶選擇。均通過外部三根引腳的不同連線實現。（1）單極性輸入AD574A單極性輸入模擬電壓范圍在0~+10V或0~+20V，由兩端輸入。電路接法如圖6．3．4所示。圖6．3．4AD574單極性輸入電路

圖6．3．5AD574雙極性輸入電路

在圖中，雙極性偏差輸入端BIPOFF通過100Ω電阻接地，又是通過100K電阻接W1，可由W1控制BIPOFF的電平。其它信號端按其引腳功能的要求連接。

（2）雙極性輸入AD574A雙極性輸入的模擬電壓范圍是±5V或±10V。電路接法如圖6.3.5所示。在圖中，它與單極性的區(qū)別在于輸入端BIPOFF的連接。在雙極性輸入方式中，該端通過100Ω電位器W1與REFOUT端連接+10V。其它與單極性信號方式相同。4．AD574A與單片機的硬件接口圖6．3．6是AD574A與8031的硬件接口。單極性輸入。圖6．3．6AD574A與8031單片機接口由圖6．3．6可見：A/D轉換輸出高8位DB11~DB4和低4位DB3~DB0口。CPU分兩次讀出，因此12/8引腳接地。片選端CS連接P0.7；讀出和起動A/D轉換控制R/C連接P0.0；決定A/D轉換拉數線A0連接P0.1。因此，當CS=P0.7=0、A0=P0.1=0時，滿足按12位A/D轉換的啟動條件。由P0口輸出低8位地址00H滿足，由CPU寫指令MOVX@R0，A生成，讀A/D轉換值高8位地址由R/C=1，Ao=0確定為02H，低8位地址為03H。由CPU讀指令MOVXA，@R0生成。CE連接RD和WR輸入的有效與非門輸出，無論CPU對AD574A進行讀/寫操作，CE均為高電平有效。A/D轉換結束端STS連接P1.0用作查詢或作為向CPU申請中斷的線端。5．AD574A的A/D轉換程序按圖6．3．6連線，采用查詢方式。R2存A/D轉換值高8位，R3存A/D轉換值低4位，可編出A/D轉換程序如下：ORGSTARTSTART：MOVR0，#00H；選擇AD574A地址MOVX@R0，A；啟動A/D轉換器（A中內容任意）LOOP：JBP1.0，LOOP；查詢STS，A/D轉換是否結束MOVR0，#01H；STS=1，送讀A/D轉換值地址MOVXA，@R0；讀A/D值高8位MOVR2，A；MOVR0，#03H；指向低4位A/D值地址MOVXA，@R0；讀A/D值低4位MOVR3，A；送R3LL：AJMPLL；結束這部分內容雖然是對12位A/D轉換器的，但對于10位、14位和16位A/D轉換器與8位單片機的接口應用，方法類似，掌握一次啟動A/D轉換，分兩次輸出A/D轉換值。6．3．38031和5G14433A/D轉換器接口5G14433是國產雙積分式A/D轉換器，輸出為三位半BCD碼，分辨率相當于11位二進制數?？构ゎl干擾能力強，但轉換速度不高。與國外產品MC14433完全相同，可以互換。1．主要特性5G14433片內能夠自身提供時鐘發(fā)生器，一次A/D轉換時間在100ms~250ms之間可調節(jié)。輸入電壓量程可調整為2種：199.9mV和1.999V，由基準電壓決定。A/D轉換值以BCD碼形式分4次輸出。最高位千位輸出內容特殊。

2．引腳功能5G14433為24引腳芯片。如圖6．3．7所示。

圖6．3．75G14433結構框圖和引腳圖

VR——外接基準電壓輸入端。接+200mV或+2V。VX——模擬電壓輸入端。在0~199．9mV或0~1．999V。R1、R1/C1、C1——外接積分阻容元件端。當輸入電壓量程為2V時，c1=0。1μf、R１=470k；輸入電壓量程為200mV時，c1=0．1μf、R1=270k。EOC——A/D轉換結束輸出端，高電平有效。可用來作為向CPU申請中斷的信號。DU——更新轉換結果輸出控制端。當DU與EOC連接在一起時，每次A/D轉換結果的輸出都被更新。OR——過量程輸出端。當|Vx|＞VR時，OR=0，否則為高電平。用OR輸出報警和量程切換。DS1~DS4——多路選通脈沖輸出端。高電平有效。其中：DS1代表千位；DS4代表個位。當DS1~DS4之一為高電平時，對應的數位選通，該位數據在Q0~Q3端輸出。Q0~Q3——BCD碼數據輸出線。Q0為最低位，Q3為最高位。當DS2、DS3、DS4順序選通（高電平有效）期間。Q0~Q3線輸出三位完整的BCD碼。但在DS1選通期間，輸出端Q0~Q3除了表示千位的0或1外，還表示轉換值的正、負極性（Q2=1為正），和欠量程還是過量程（Q0=1）等標志位。含義為（1）Q3表示BCD“千位”的數值：Q3=0則“千位”=1；Q3=1，則“千位”=0。（2）Q2表示轉換值的極性。Q2=1為正極性，Vx>0；Q2=0為負極性，Vx<0。（3）Q0表示超出量程范圍：Q0=0表示Vx未超出量程范圍；在Q0=1、Q3=0時，表示過量程（例如在量程為2V時，|Vx|）>1．999V）；在Q0=1、Q3=１時表示欠量程。在DS1=1時，Q1的輸出沒有意義。3．5G14433和8031的硬件接口硬件連線必須充分理解5G14433的使用特性和管腳用法。在具體連接中應注意兩點：(1)DS4都不是總線式的，不能直接與8031的數據總線P0口連接?？蛇B接P1口或擴展一個8155，8255A并行接口。（2）5G14433可以不必控制它的A/D轉換開始，而將EOC和DU兩引腳相連，以選擇連續(xù)A/D轉換方式。每次轉換完畢都送至內部輸出鎖存寄存器中。由于EOC是A/D轉換結束輸出標志信號，因此CPU可定時查詢EOC引腳，或采用中斷方式，將EOC經非門連接8031的INT0，當A/D轉換結束，EOC=1向INT0申請中斷，CPU在INT0的中斷程序中分別取走千位（還有標志位）、百位、十位和個位的BCD碼。具體的硬件連接方案如圖6.3.8所示。圖6．3．85G14433與8031單片機接口

4．5G14433的A/D轉換程序按圖6．3．8連接，5G14433上電后即對外部輸入模擬電壓VX進行A/D轉換，轉換完畢后都有BCD碼及相應的選通信號出現在Q0~Q3和DS1~DS4線上，CPU讀入P1口內容可進行分類處理。軟件查詢時，應按DS1DS2DS3DS4順序.主程序初始化是開放CPU及INT0中斷。每次A/D轉換結束后，EOC輸出一個正脈沖，向CPU的INT0申請中斷，CPU響應中斷后，執(zhí)行中斷服務程序，讀取A/D轉換結果。經裝配后送入8031片內RAM的2EH、2FH單元中，數據存放的格式如圖6.3.9所示。圖6．3．9BCD數據存放格式

根據上述分析，A/D轉換中斷程序框圖見圖6．3．10。

`與INT0有關的初始化主程序SETBIT0`

`

；INT0選擇邊沿觸發(fā)中斷SETBEX0；允許INT0中斷開放`

SETBEA；允許總中斷開放INT0根據圖6．3．10，處理5G14433A/D轉換結果中斷服務程序如下：`

`ORG0003H；INT0中斷矢量LJMPPINT0；轉INT0中斷實際入口地址…PINT0：PUSHA；保護現場PUSHPSW；SETB03H；設置中斷標志置1LOOP：MOVA，P1；讀A/D轉換值及狀態(tài)JNBACC.4,ＬOOP；DS1=/1，未選通，查詢等待JBACC.0，PERR；查是否過、欠量程，Q0=1轉PERRJBACC.2，PL1；Q2=1為正數轉PL1SETB77H；Q2=0為負，將千位數置1（77H為千位地址）LJMPPL2PL1：CLR77H；Q2=1為正數，符號位置0PL2：JBACC.3，PL3；若Q3=1，千位數為0，轉PL3SETB74H；Q3=0，千位數置1（74H為千位地址）LJMPPL4；轉百位處理PL3：CLR74H；千位數置0PL4：MOVA，P1；輸入DS2及百位BCD碼JNBACC.5，PL4；DS2=0未選通，查詢等待MOVR0，#2EH；2EH為百位BCD碼RAM地址XCHDA，@R0；百位與千位BCD碼拼裝在2EH中PL5：MOVA，P1；輸入DS3及十位BCD碼JNBACC.6，PL5；DS3=0未選通，查詢等待SWAPA；A中高、低4位交換INCR0；指向2FH單元地址MOV@R0，A；十位BCD碼送入2FH單元高4位PL6：MOVA，P1；輸入DS4及個位BCD碼JNBACC.7，PL6；DS4=0未選通，查詢等待XCHDA，@R0；DS4=1，個位BCD碼送入2FH低4位LJMPENDDPERR：SETB10H；置過、欠量程標志位（10H）=1ENDD：PUSHPSW；恢復現場PUSHARETI；中斷返回在上述程序中，要注意兩個問題：（1）若在DS1=1的條件下，Q0=1，說明過（欠）量程，程序將過、欠量程軟件標志置1，該軟件標志（10H）=1供主程序處理查詢用，同時OR引腳輸出一個低電平信號，由用戶報警使用。（2）由于EOC和DU相連接，使A/D轉換處于連續(xù)自動狀態(tài)，當EOC接到時，會發(fā)出多次中斷申請，對此，專門設置一個軟件中斷標志位03H，當CPU進入INT0中斷程序后將其置1，在CPU返回主程序后先判斷這個標志位，若（03H）=1，說明中斷已經發(fā)生，用軟件關INT0中斷，以進行下一步程序處理，當一個新的采樣過程開始時，先清中斷標志（03H）=0，再開INT0中斷，準備接收5G14433新的中斷申請。6.3.4V/F壓頻轉換器V/F轉換器是把電壓信號轉換成頻率信號的器件。它具有應用電路簡單、較好的精度、較好的線性度且頻率變化動態(tài)范圍寬、抗干擾能力強、價格較低等諸多優(yōu)點，因而在輸入通道中廣泛采用。在一些高精度、數據遠距離傳輸而速度要求不高的場合取代A/D轉換器，從而獲得較好的性能價格比。(1).V/F轉換原理實現V/F轉換的方法很多，這里僅介紹常見的電荷平衡V/F轉換法。其電路原理框圖如圖6．3．11所示。圖中A1是積分輸入放大器，A2為零電壓比較器，恒流源IR和模擬開關S提供A1的反充電回路，模擬開關S由單穩(wěn)態(tài)定時觸發(fā)器控制。其工作原理為：工作前，模擬開關S處于斷態(tài)。當工作開始時，由于電容的特性決定雖然輸入端有正電壓加入，但瞬間電容C相當于短路，即A1的輸出為負的V0≈0，則零電壓比較器A2輸出正跳變，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)定時觸發(fā)器，使其產生時間為T1的定時脈沖，令開關S閉合。同時使晶體管T截止，Vf0端輸出定時高電平。在S導通其間，恒流源IR被接入積分器的反相輸入端。由于電路是按IR>Vimax/RL設計的，故此時電容C被反相充電，充電電流為IR—Vi/RL，則積分器A1輸出電壓V0（偏負）從0伏起線性上升。電壓比較器輸出立刻變低，完成對單穩(wěn)態(tài)定時觸發(fā)器作用的一個正脈沖。當定時T1時間結束，開關S被打開，反向充電停止。同時使晶體管T導通，Vf0端輸出低電平。開關S被打開后，由于正的輸入電壓Vi作用，電容C開始正向充電，其充電電流為Vi/RL，則積分器A1輸出電壓V0開始線性下降。當V0≈0（偏負）時，電壓比較器A2輸出再次跳變，又使單穩(wěn)態(tài)定時器產生T1時間的定時而控制開關S再次閉和，A1再次反向充電，同時Vf0端又輸出定時高電平。如此反復下去，會在積分器A1輸出端和Vf0端產生如圖6．3．12所示波形，其波形的周期為T。圖6．3．11電荷平衡式V/F轉換電路原理框圖根據反向充電電荷量和正向充電電荷量相等的電荷平衡原理，可得（IR—Vi/RL）?T1=Vi/RL（T—T1

）

（6．3．1）整理得

T=（IR?RL?T1）/Vi

（6．3．2）

則Vf0端輸出電壓頻率為

f0=1/T=Vi/（IR?RL?T1

）

（6．3．3）這個f0就是由Vi轉換而來的輸出頻率，二者成線性比例關系。由上式可見，要精確地實現V/F變換，要求IR、RL和T1應準確、穩(wěn)定。應注意的是，