什么是積分電路

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1、什么是積分電路？積分電路的原理 積分電路定義 輸出信號(hào)與輸入信號(hào)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(shí)，Uc=Oo.隨后C充電，由 于ROTk,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U(xiǎn)i的積分(/ icdt RC電路的積分條件：RO 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(jiǎn)單，都是基于電容的沖放電原理，這

2、里就不詳細(xì)說了，這里 要提的是電路的時(shí)間常數(shù) R*C,構(gòu)成積分電路的條件是電路的時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)信號(hào)的求和積分運(yùn)算，應(yīng)選擇求和 積分電路。若只要求對(duì)某個(gè)信號(hào)進(jìn)行一般的波形變換，可選用基本積分電路?；痉e分

3、電路如圖1 所示： 匡1 基本埶分電路 2 ?確定時(shí)間常數(shù) T =RC 工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 工的值太小，則還未達(dá)到預(yù)定的積分時(shí)間 t之前， 運(yùn)放已經(jīng) 飽和，輸出電壓波形會(huì)嚴(yán)重失真。所以 t的值必須滿足： ) 丿」 t > —: i u.at r rf * 當(dāng)ui為階躍信號(hào)時(shí)，T的值必須滿足: 1 < , . u uQ 二—= — cosfc T~ " TCI} 另外，選擇工值時(shí)，還應(yīng)考慮信號(hào)頻率的高低，對(duì)于正弦波信號(hào) ui=Uimsin co,t積分 電

4、 路的輸出電壓為： 因此，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)， 工的值不僅受運(yùn)算放大器最大輸出電壓的限制，而且與 輸入信號(hào)的頻率有關(guān)，對(duì)于一定幅度的正弦信號(hào)，頻率越低 工的值應(yīng)該越大。 3 .選擇電路元件 1）當(dāng)時(shí)間常數(shù)t =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1 口 F。 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(gè)電阻 Rf。Rf是

5、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(duì)積分電路輸出電壓的影響，應(yīng)選擇：輸入失調(diào)參數(shù) （UIO、110、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 + TQP 對(duì)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（

6、取直流檔）監(jiān)測(cè)積分電路的輸出電壓，調(diào)整調(diào)零電位器，同時(shí) 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(shí)， 輸出漂 移加快， 而反方向調(diào)節(jié)時(shí)，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 tTOP 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(gè)將方波變換為三角波 的 積分電路，積分電路的輸入電阻 Ri > 10k舅 并采用 識(shí)741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。 LI 2 ?確定時(shí)間常數(shù) t =RC 要將方波變換為三角波

7、，就是要對(duì)方波的每半個(gè)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(shí)，相當(dāng)于向積分電路輸入正的階躍信號(hào)；當(dāng)方波為負(fù)半周時(shí)，相當(dāng)于 向積 分電路輸入負(fù)的階躍信號(hào)。因此，積分時(shí)間都等于 L =丄丄=0.00 h = IW5 2 500 2 由于pA741的最大輸出電壓 U =10V左右，所以，工的值必須滿足: r> x Ms — 0.2 ms ior (E為方波勺弓㈡曲隹丿 由于對(duì)三角波的幅度沒有要求，故取 t =0.5ms 3 ?確定R和C的值 由于反相積分電路的輸入電阻 Ri > 10kQ,故取積分電阻 R=Ri=10 k Q

8、 因此，積分電容： c r 0.5X1Q-3 ~ R~ lOxtO3 = 5x10-fiF=0.05JuF （取標(biāo)稱

9、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(jià)格相對(duì)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(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jià)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(duì)未知的模擬輸入電壓 U1進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分，然后轉(zhuǎn)為 對(duì)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(shí)間為 TO。如

10、圖2 所示，輸入電壓U1越大，則反向積分時(shí)間越長。整個(gè)采樣期間，積分電容 C上的充電 仏竺生如T=T E 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(shí)間 TO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(hào)電壓的大小成正比，此計(jì)數(shù)值就是 U1所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。 圖円A/D轉(zhuǎn)換原理圖 圖3 A/D轉(zhuǎn)換直形圖 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 . 22 口 F的聚丙烯電容，R 常取500K Q左右，A2是電壓跟隨器，為電路提供穩(wěn)定的比較電

11、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(shí)器T0為積 分電路提供精確的時(shí)間定時(shí)，計(jì)數(shù)器 T1用來記錄反向積分時(shí)間，INT0用來檢測(cè)比較器 電平變化。所需測(cè)量的模擬輸入信號(hào)和零點(diǎn)參考電

12、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(hào)，通過積分電路分別和 固定電壓進(jìn)行定時(shí)或定值積分。 積分電路的輸出信號(hào)作為比較器的輸入信號(hào)與比較電壓進(jìn)行比較， 當(dāng)比較器輸出翻 轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)，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(duì)這個(gè)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(shí)，再對(duì)積分電路進(jìn)行一段時(shí)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(gè)階段： ⑴清零階段：當(dāng)比較器輸出低電平時(shí)，積分電容上聚集

13、了大量電荷，必須對(duì)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(duì)U0進(jìn)行定值積分，由 T “ S RC 一屁必一"J+4"得卩=u —U 、 1 由此可見放電時(shí)間根據(jù) U0、 U1、R、C具體值而定 ⑵積分階段：對(duì)模擬輸入電壓 Uin進(jìn)行固定時(shí)間積分，積分時(shí)長 T1，由A/ D的 精度決定，精度越高積分時(shí)間越長，此階段積分器的輸出電壓 (3)比較階段：對(duì)模擬輸入電壓進(jìn)行定時(shí)積分后，再對(duì)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 RC 由比較器原理得 U1O=U1，由此可得 其中T1、UO、R、C、U1均為常數(shù)，

14、即對(duì)零電平的積分時(shí)間 TO與模擬輸入電壓 U 成正比，TO即為所求值。具體轉(zhuǎn)換波形如圖 4所示。 I U 積分器輸出電壓 比較器輸出電壓 圖A A/D轉(zhuǎn)換波形 3）軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器 TO分別控制對(duì)基準(zhǔn)電壓和模擬電壓的定時(shí)積分，計(jì)數(shù)器 T1用 來記錄反向積分時(shí)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(cè)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。 圖5 A/D轉(zhuǎn)換流程圖 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

15、時(shí)，在對(duì)模擬電壓U定時(shí)積分后對(duì) 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(shí)，在對(duì) 模擬電壓U定時(shí)積分后應(yīng)對(duì)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(shì)，主要元件僅僅 為一個(gè)單片機(jī)89C5 1、一個(gè)多通道模擬開關(guān) CD4051、一個(gè)四運(yùn)放LM324，因而結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，性價(jià)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(hào)。 4 結(jié)束語 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(gè)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(jiǎn)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(jià)值。 本文創(chuàng)新點(diǎn)：本文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(jiǎn)單，成本低廉，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。