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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。
積分電路原理
從圖中可以看出，Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,當(dāng)t=to時，Uc=Oo.隨后C充電，由于RC≥Tk,充電很慢，所以認(rèn)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 電路結(jié)構(gòu)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(xì)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。
積分電路特點(diǎn)
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(guān)系
積分電路的設(shè)計(jì)方法與步驟
積分電路的設(shè)計(jì)可按以下幾個步驟進(jìn)行：1． 選擇電路形式積分電路的形式可以根據(jù)實(shí)際要求來確定。
若要進(jìn)行兩個信號的求和積分運(yùn)算，應(yīng)選擇求和
積分電路。若只要求對某個信號進(jìn)行一般的波形變換，可選用基本積分電路。基本積分電路如圖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(yùn)算放大器的最大輸出電壓 Uomax為有限值（通
常 Uomax=±10V 左右），因此，若τ的值太小，則還未達(dá)到預(yù)定的積分時間 t 之前，運(yùn)放已經(jīng)
飽和，輸出電壓波形會嚴(yán)重失真。所以τ的值必須滿足：
當(dāng) ui為階躍信號時，τ的值必須滿足：
另外，選擇τ值時，還應(yīng)考慮信號頻率的高低，對于正弦波信號 ui=Uimsinωt，積分電
路的輸出電壓為：
因此，當(dāng)輸入信號為正弦波時，τ的值不僅受運(yùn)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(guān)，對于一定幅度的正弦信號，頻率越低τ的值應(yīng)該越大。
3．選擇電路元件
1）當(dāng)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(bǔ)償偏置電流所產(chǎn)生的失調(diào)，一般取 RP=R。
3）確定 Rf
在實(shí)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(yùn)算放大器
為了減小運(yùn)放參數(shù)對積分電路輸出電壓的影響，應(yīng)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(yùn)算放大器。
積分電路的調(diào)試
對于圖 1 所示的基本積分電路，主要是調(diào)整積分漂移。一般情況下，是調(diào)整運(yùn)放的外接
調(diào)零電位器，以補(bǔ)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(fù)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(dāng)調(diào)零電位器的值向某一方向變化時， 輸出漂移加快，而反方向調(diào)節(jié)時，輸出漂移變慢。反復(fù)仔細(xì)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。
設(shè)計(jì)舉例
已知：方波的幅度為 2 伏，方波的頻率為500Hz，要求設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器。
設(shè)計(jì)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(jìn)行不同方向的積分運(yùn)算。
當(dāng)方波為正半周時，相當(dāng)于向積分電路輸入正的階躍信號；當(dāng)方波為負(fù)半周時，相當(dāng)于向積
分電路輸入負(fù)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=10 kΩ。
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 ? = ? = × = = k R Rf
100 10 10 10 10 5 4
平衡電阻 RP 為： ? ≈ ? ? = = k k k R R R f p 1 . 9 100 // 10 //
基于單片機(jī)的雙積分電路設(shè)計(jì)
0 引言 A／D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要部分，也是計(jì)算機(jī)應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾能力強(qiáng)。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(jī)的高精度、雙積分型A／D轉(zhuǎn)換電路，具有電路體積小、成本低、性價比高、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試容易和工作可靠等特點(diǎn)，有很好的實(shí)際應(yīng)用價值。 1 雙積分式ADC基本原理 雙積分式ADC的基本電路如圖1所示，運(yùn)放A 1、R、C用來組成積分器，運(yùn)放A2作為比較器。電路先對未知的模擬輸入電壓U1進(jìn)行固定時間T1的積分，然后轉(zhuǎn)為對標(biāo)準(zhǔn)電壓U0進(jìn)行反向積分，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(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值與信號電壓的大小成正比，此計(jì)數(shù)值就是U1所對應(yīng)的數(shù)字量。 2 實(shí)用雙積分A／D轉(zhuǎn)換電路 1)硬件電路圖 如圖3所示，運(yùn)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)定的比較電壓，運(yùn)放 A3作為電壓比較器，保證A／D轉(zhuǎn)換電平迅速翻轉(zhuǎn)，CD4051是多路選擇開關(guān)，單片機(jī)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(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓，Uin為積分器的輸入電壓，U0為比較電壓，U1為基準(zhǔn)電壓，為使A／D 轉(zhuǎn)換結(jié)果具有更高的精度，基準(zhǔn)電路應(yīng)該提供精確的電壓，建議使用精度為1％的精密電阻，單片機(jī)使用89C51，其內(nèi)部定時器T0為積分電路提供精確的時間定時，計(jì)數(shù)器T1用來記錄反向積分時間，INT0用來檢測比較器電平變化。所需測量的模擬輸入信號和零點(diǎn)參考電壓以及基準(zhǔn)電壓接到多路選擇開關(guān)的輸入端，通過單片機(jī)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(jìn)行定時或定值積分。 積分電路的輸出信號作為比較器的輸入信號與比較電壓進(jìn)行比較，當(dāng)比較器輸出翻轉(zhuǎn)信號時，CPU計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，從而獲得零點(diǎn)參考電壓的計(jì)數(shù)值，對這個數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)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(diǎn)，在系統(tǒng)上電階段，積分電路先接通GND，待比較器輸出為低電平時，再對積分電路進(jìn)行一段時間的放電，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(dāng)比較器輸出低電平時，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)換提供精確的零起始點(diǎn)。即對U0進(jìn)行定值積分，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(jìn)行固定時間積分，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)比較階段：對模擬輸入電壓進(jìn)行定時積分后，再對零電平進(jìn)行反向積分直到比較器的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此階段積分器的輸出電壓為 由比較器原理得U10=U1，由此可得 1 小時前 上傳下載附件 (18.35 KB) 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(shè)計(jì) 單片機(jī)內(nèi)部定時器T0分別控制對基準(zhǔn)電壓和模擬電壓的定時積分，計(jì)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(guān)的通道，且單片機(jī)以查詢方式檢測比較器的輸出電平。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(diǎn)分析 由上述分析可知，模擬電壓U大于基準(zhǔn)電壓U1時，在對模擬電壓U定時積分后對零電平進(jìn)行定值積分，波形圖如圖4所示。而當(dāng)模擬電壓U小于基準(zhǔn)電壓U1時，在對模擬電壓U定時積分后應(yīng)對U0進(jìn)行定值積分，只需在軟件設(shè)計(jì)上加以區(qū)別或提供負(fù)值的基準(zhǔn)電壓即可。本電路充分利用了單片機(jī)成本低廉、可靠性高的優(yōu)勢，主要元件僅僅為一個單片機(jī)89C5 1、一個多通道模擬開關(guān)CD4051、一個四運(yùn)放LM324，因而結(jié)構(gòu)簡單，性價比高。實(shí)際應(yīng)用表明，此雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是工作性能穩(wěn)定并且抗干擾能力比較強(qiáng)，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。采用了多路選擇開關(guān)CD4051實(shí)現(xiàn)了積分器輸入變量的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)控制其通道的選擇，完成了清零、積分、比較各環(huán)節(jié)，完成雙積分A／D，此電路具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)電路保留了雙積分A／D轉(zhuǎn)換的主要特點(diǎn)，且整個電路構(gòu)成的成本非常低廉只要合理選擇、調(diào)整電路參數(shù)，減少數(shù)據(jù)處理誤差，就可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換精度和速度，且具有轉(zhuǎn)換過程簡單、轉(zhuǎn)換精度高和成本低等突出的特點(diǎn)。因此在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其他應(yīng)用系統(tǒng)中有很好的使用價值。
原文出自：電路設(shè)計(jì)論壇 |
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發(fā)表于 2011-11-7 15:04:14
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