第3章信号选择、转换与放大电路
第2章介绍了随动系统的误差测量元件，知道误差测量元件的输出信号用于控制随动系统工作。为了实现对随动系统的控制，需要对控制信号进行转换和处理。一般需要解决两类问题： 一类是要将直流信号变为交流载波信号，此变换电路称为相敏调制器； 另一类是要将交流载波信号变为直流信号，这种变换电路称为相敏解调器(或称相敏整流电路)。本章主要介绍信号选择、转换与放大电路，主要用于对随动系统的控制信号进行选择、调制、解调和数/模转换、信号放大等，以便实现随动系统对输入信号的自动跟踪。一般情况下，经信号选择、转换与放大后的控制信号功率比较弱，不能直接用来控制执行元件，必须经过功率放大后送给执行元件。如图31所示为一种由典型信号选择、转换与放大电路构成的原理框图。



图31典型信号选择、转换与放大电路构成的原理框图


3.1信号选择电路
为了保证随动系统的精度，应提高位置测量元件的测量精度，测量装置通常采用双通道测量电路。双通道测量电路可以产生精测和粗测两种控制信号，二者相互配合实现高精度随动系统控制。为了实现这两种控制信号对随动系统的适时控制，必须采用信号选择电路实现精测和粗测控制信号对随动系统的控制时机。

3.1.1信号选择电路作用
对于双通道测量电路的随动系统，在误差角较小时，用于阻断粗测误差电压信号uc，仅使精测误差电压信号uj通过； 在误差角较大时，且粗测误差电压信号uc大到一定值时，用于阻断或减小精测误差电压信号uj，而使粗测误差电压信号uc通过。 
3.1.2信号选择电路原理
在随动系统中，目前常用的信号选择电路有晶体三极管型、稳压管型，早期的选择电路还有电子管型。这里仅介绍前两者。
1. 稳压管型选择电路
1) 电路组成
稳压管型选择电路如图32所示。主要由精测误差信号分压电阻R1和R2、截止电压形成电路双向稳压管V1、变压器T1、移相电容C1和C2组成。


图32稳压管型选择电路







2) 稳压管型选择电路原理
双向稳压管的稳压值决定了粗测误差电压信号的截止电压，双向稳压管V1就构成了“截止”电压电路。当系统误差角小时，粗测误差电压信号的幅值Uc小于“截止”电压，双向稳压管V1处于“截止”状态，切断了粗测误差电压信号。而精测误差电压信号经电阻R1和R2分压后输出到变压器T1原边绕组。随着系统误差角的增大，当粗测误差电压信号的幅值Uc大于“截止”电压与R2上的分压的幅值之和时，双向稳压管V1转为“导通”状态，使粗测误差电压信号输出到变压器T1原边绕组，此时输出既有粗测误差电压信号又有经分压后的精测误差信号，但由于经R1和R2分压后精测误差信号与粗测误差电压相比已降低很多，使得粗测误差电压信号起主要作用。
移相电容C1和C2用来保证选择级的输出信号的相位与双通道测量电路发送机的激磁电源同相或反相，同时也有滤波作用。

选择级的输入、输出信号波形如图33所示。


图33选择级的输入、输出信号波形





图33(续)


2. 晶体管型选择电路
1) 电路组成
晶体管型选择电路如图34所示。主要由双向二极管V1和V5、晶体管V3和V4、单结晶体管V7、稳压管V2和V6、电阻R1~R20，电位计RP1和RP2组成，其中晶体管V3和V4构成粗测信号选择开关(即粗测信号截止电路)，由V1、R1、R2和R4构成分压限幅； 单结晶体管V7构成精测信号的选择控制开关，由R17、R18和R19给单结晶体管V7提供-5V的夹断偏压，R13、R14、R15和V5构成精测信号的分压限幅电路。电位计RP1和RP2分别输出粗、精测选择信号。



图34晶体管选择电路


2) 晶体管型选择电路原理
在通常状态下，V3的基极偏置电压Ub3由-15V经R7和R5分压、R10限流后为-0.7V，V4的基极偏置电压Ub4由15V经R8和R6分压、R11限流后为+0.7V，均为反向偏置，即V3、V4通常均处于截止状态。 

（1） 输入粗测信号uc和精测信号uj为零
当输入粗测信号uc和精测信号uj为零时，在电位计RP1和RP2上的分压为零，信号选择电路输出粗测信号u′c和精测信号u′j分别为零。
（2） 输入粗测信号uc和精测信号uj不为零
当输入粗测信号uc不为零且较小时，粗测信号uc先经V1限幅，R1、R2和R4分压后，送到V3、V4的发射极，但粗测信号较小且不足以使V3或V4导通，粗测信号选择开关截止。这时精测信号uj较大，-15V由R17、R18和R19分压给单结晶体管V7提供-5V的夹断偏压使V7截止，精测信号uj经R13、R14、R15和V5限幅分压后，在RP1上得到选择的输出精测信号电压u′j，这时只有精测信号电压u′j输出，随动系统主要由精测信号起控制作用。
随着粗测信号电压uc幅值的增大，当粗测信号电压幅值大到某一值时，一方面在粗测信号的正半周期，使V4的基极偏置电压Ub4由反向偏置变为正向偏置时，V4导通，粗测信号的正半周通过V4； 在粗测信号的负半周期，随着粗测信号电压uc幅值的反向增大，使V3的基极偏置电压Ub3由反向偏置变为正向偏置时，V3导通，粗测信号的负半周通过V3。这样，随着粗测信号电压uc幅值的变化，使V3、V4交替导通，就实现了粗测信号的选择，粗测信号通过V3或V4经RP2分压后得到输出粗测信号u′c。理论上，当粗测信号幅值增大到1.4V时，V3、V4才能实现偏置状态的改变，但由于电路中其他元件的分压作用，使V3、V4偏置状态发生改变，而导致uc的幅值要大于1.4V。另一方面粗测信号电压uc由V2、R9、R20和C1整流滤波成直流电压后，经V6、R16使V7发射极电位升高，但粗测信号电压uc不足以克服V7发射极的夹断控制电压，V7仍处于截止状态，精测信号uj仍通过R13、R14、R15和V5限幅分压后，在RP1上得到选择的输出精测信号电压u′j。因此，在这种情况下，精测信号uj和粗测信号电压uc同时输出到下一级。对于如图34所示电路，粗测信号电压uc为3.5~5V，经选择的精测信号电压u′j和粗测信号电压u′c同时输出到下一级，但参数的选配和RP1的调节，使粗测信号电压u′c所占比例较大，故主要由粗测信号电压u′c起控制作用控制随动系统工作。
随着粗测信号电压幅值的继续增大，V3或V4仍处于交替导通状态，一方面粗测信号通过V3或V4经RP2分压后得到输出粗测信号u′c； 另一方面由于粗测信号电压幅值的增大，由V2、R9、R20和C1整流滤波成直流电压后，经V6、R16使V7发射极电位升高，足以克服V7发射极的夹断控制电压，使V7导通，精测信号电压uj由V7旁路到地，即阻断了精测信号电压uj的输出，从而达到控制精测信号uj输出的目的。因此，随着粗测信号电压幅值的继续增大，选择级的输出只有粗测信号输出，随动系统只由粗测信号电压u′c控制工作。
晶体管选择级的输出电压波形如图35所示。



图35晶体管选择级的输出电压波形


3.2信号转换电路
在随动系统中，为了便于信号的传输和实现信号对系统的控制，往往需要对信号的形式进行变换，如最常见的交流信号到直流信号的转换或直流信号到交流信号的转换等。随动系统采用的信号转换电路的类型较多，比较常见的有以下几种类型： 
1. 振幅调制电路
输入信号为直流电压信号，经振幅调制后，输出为固定频率的交流电压信号，其幅值与输入直流信号大小成正比，相位与输入直流信号的极性有关。当输入直流信号极性为正时则输出交流信号与参考电源同相位，否则反相位。
2. 相位调制电路
输入信号为直流电压信号，经相位调制后，输出为固定频率的交流电压或脉冲信号，但输出交流电压信号的幅值一定，而相位与输入信号的大小成一一对应关系。
3. 相敏整流电路(亦称相敏解调器)
当输入为固定频率的交流电压信号，经相敏整流后，输出为直流电压信号。输出直流信号的大小与输入交流信号的幅值对应，极性与输入交流信号的相位有关。当输入交流信号与参考电源同相位时，则输出直流信号的极性为正，否则输出直流信号的极性为负。
4. 频率调制电路(V/F)
输入为直流电压，经频率调制后，输出为脉冲信号，其频率与输入信号的大小成正比，通常称为电压频率转换电路。
5. 频压转换电路(F/V)
输入信号是交流信号或脉冲信号的频率，经频压转换后，输出为直流电压信号，其大小与输入信号的频率成线性关系。
3.2.1相敏整流电路
相敏整流电路又称相敏解调器，广泛地应用位置随动系统。对于测角元件采用自整角机和旋转变压器等感性元件的随动系统，其测量元件将转角(或位移)转换成具有一定频率的交流电压信号，当系统的执行元件采用直流电动机时，需要利用相敏整流电路，将交流信号转换为直流信号，才能对直流电动机实施有效的控制。
相敏整流电路按照构成的元件和电路的工作原理，可分为开关式、采样保持式、模拟乘法器式和集成芯片等几种，现分别介绍几种常用的电路。
1. 开关式相敏整流电路
开关式相敏整流电路如图36所示，由晶体三极管V1、V2、V3和V4、电源变压器T1、输入变压器T、输出电阻R1、R2和滤波电容C1、C2、限流电阻R3和电位计Rw组成。其中晶体三极管V1、V2组成一个模拟开关，晶体三极管V3、V4组成另一个模拟开关，V1、V2、V3、V4参数完全相同。模拟开关的通、断由电源变压器T1提供的固定频率的交流参考电压ut来控制。R1、R2构成输出负载，C1、C2用于滤波，且R1与R2完全相同，C1与C2完全相同。


图36开关式相敏整流电路


由图36可知，开关式相敏整流电路的主要特点是晶体管集电极电源由变压器T1的绕组供给与输入信号电压同频率的交流电压，其相位则与输入信号电压准确的同相位或反相位。
为了保证相敏整流电路的正常工作，除满足上述条件外，还应保证电源变压器T1和输入变压器T与晶体管V1、V2、V3、V4的正确连接，即满足若加在V1或V2的输入交流信号电压与其集电极交流电压同相位，则加在V3或V4的输入交流信号电压与其集电极交流电压反相位，反之满足若加在V1或V2的输入交流信号电压与其集电极交流电压反相位，则加在V3或V4的输入交流信号电压与其集电极交流电压同相位。

1) 当输入交流电压信号usr=0时
在参考电源电压ut正半周，电源变压器T1的④端为负、⑥端为正，⑦端为正，⑨端为负。三极管V1集电极电源为负，V1截止不导通，集电极电流IC1=0，而三极管V2集电极电源为正，V2饱和导通，集电极电流IC2由V2集电极V2c到发射极V2e，经过电位计RW和R3，流过输出电阻R1产生电压VR1。同样，在参考电源电压ut正半周，三极管V3集电极电源为正，V3饱和导通，集电极电流IC3由V3集电极V3c到发射极V3e，经过电位计RW和R3，流过输出电阻R2产生电压VR2，而三极管V4集电极电源为负，V4截止不导通，集电极电流IC4=0。由于V2、V3、R1、R2、C1、C2参数完全相同，电路结构对称，所以|VR1|=|VR2|，方向相反，输出电压UAB=0。
在参考电源电压ut负半周，电源变压器T1的④端为正、⑥端为负，⑦端为负，⑨端为正。三极管V1集电极电源为正，V1饱和导通，集电极电流IC1由V1集电极V1c到发射极V1e，经过电位计RW和R3，流过输出电阻R1产生电压VR1。而三极管V2集电极电源为负，V2截止不导通，集电极电流IC2=0。同样，在参考电源电压ut负半周，三极管V3集电极电源为负，V3截止不导通，集电极电流IC3=0。而三极管V4集电极电源为正，V4饱和导通，集电极电流IC4由V4集电极V4c到发射极V4e，经过电位计RW和R3，流过输出电阻R2产生电压VR2。由于V1、V4、R1、R2、C1、C2参数完全相同，电路结构对称，所以|VR1|=|VR2|，方向相反，输出电压UAB=0。
所以，当输入交流电压信号usr=0时，无论在参考电源的正半周还是负半周，相敏整流电路输出都为零。输入输出波形如图37(a)所示，其中uAB为C1、C2滤波前的信号。


图37开关式相敏整流电路主要波形图


2) 当输入交流电压信号usr≠0，且与参考电源电压ut同相位时
在参考电源电压ut正半周，输入变压器T的①端为正、③端为负，三极管V1集电极电源为负，V1截止不导通，集电极电流IC1=0，而三极管V2集电极电源为正，V2饱和导通，输入交流电压信号usr使V2基极电位降低，集电极电流IC2减小，流过输出电阻R1产生电压VR1降低。同样，在参考电源电压ut正半周，三极管V3集电极电源为正，V3饱和导通，输入交流电压信号usr使V3基极电位升高，集电极电流IC3亦增大，流过输出电阻R2产生电压VR2升高，而三极管V4集电极电源为负，V4截止不导通，集电极电流IC4=0。由于V2、V3、R1、R2、C1、C2参数完全相同，电路结构对称，所以|VR1|<|VR2|，输出电压UAB>0。
在参考电源电压ut负半周，输入变压器T的①端为负、③端为正，三极管V1集电极电源为正，V1饱和导通，输入交流电压信号usr使V1基极电位降低，集电极电流IC1减小，流过输出电阻R1产生电压VR1也降低。而三极管V2集电极电源为负，V2截止不导通，集电极电流IC2=0。同样，在参考电源电压ut负半周，三极管V3集电极电源为负，V3截止不导通，集电极电流IC3=0。而三极管V4集电极电源为正，V4饱和导通，输入交流电压信号usr使V4基极电位升高，集电极电流IC4增大，流过输出电阻R2产生电压VR2也升高。由于V1、V4、R1、R2、C1、C2参数完全相同，电路结构对称，所以|VR1|<|VR2|，输出电压UAB>0。
所以，当输入交流电压信号usr≠0，且与参考电源电压同相位时，无论在参考电源的正半周还是负半周，相敏整流电路输出都大于零，相敏整流电路波形如图37(b)所示。
3) 当输入交流电压信号usr≠0，且与参考电源电压ut反相位时
在参考电源电压ut正半周，输入变压器T的①端为负、③端为正，三极管V1集电极电源为负，V1截止不导通，集电极电流IC1=0，而三极管V2集电极电源为正，V2饱和导通，输入交流电压信号usr使V2基极电位升高，集电极电流IC2增大，流过输出电阻R1产生电压VR1升高。同样，在参考电源电压ut正半周，三极管V3集电极电源为正，V3饱和导通，输入交流电压信号usr使V3基极电位降低，集电极电流IC3减小，流过输出电阻R2产生电压VR2也降低，而三极管V4集电极电源为负，V4截止不导通，集电极电流IC4=0。由于V2、V3、R1、R2、C1、C2参数完全相同，电路结构对称，所以|VR1|>|VR2|，输出电压UAB<0。
在参考电源电压ut负半周，输入变压器T的①端为正、③端为负，三极管V1集电极电源为正，V1饱和导通，输入交流电压信号usr使V1基极电位升高，集电极电流IC1增大，流过输出电阻R1产生电压VR1也升高。而三极管V2集电极电源为负，V2截止不导通，集电极电流IC2=0。同样，在参考电源电压ut负半周，三极管V3集电极电源为负，V3截止不导通，集电极电流IC3=0。而三极管V4集电极电源为正，V4饱和导通，输入交流电压信号usr使V4基极电位降低，集电极电流IC4减小，流过输出电阻R2产生电压VR2也降低。由于V1、V4、R1、R2、C1、C2参数完全相同，电路结构对称，所以|VR1|>|VR2|，输出电压UAB<0。
所以，当输入交流电压信号usr≠0，且与参考电源电压ut反相位时，无论在参考电源的正半周还是负半周，相敏整流电路输出都小于零，相敏整流电路波形如图37(c)所示。

总之，开关式相敏整流电路实现了全波整流电路的功能，其输出电压大小反映了输入交流信号的幅值的大小，输出电压的极性反映了输入交流信号的相位。
同理，若usr与ut正交，则uAB的直流成分为零，因此该电路亦能抑制与ut正交的信号，其输入、输出波形如图38所示。当输入交流信号与交流参考电源电压有相位差时，它亦能完成鉴相任务，使输出直流成分与输入的相位一一对应。



图38usr与ut正交，相敏整流电路主要波形图


将开关晶体管可以等效成一个电阻r，故如图36所示的电路可以等效为如图39所示的电路。相敏整流电路的传递函数形式是一个惯性环节，其传递函数为

图39相敏整流电路的等效电路



UAB（s）Usr（s）=Kτs+1(31)


式中，τ=rRCR+r，K=RR+r，R1=R2=R，C1=C2=C。


2. 采样保持式相敏整流电路
采样保持式相敏整流电路是基于峰值采祥的原理实现的，如图310所示。它主要由移相器N1、限幅比较器N2、单稳态触发器DW和采样保持器S/H构组成。N1的作用是将参考信号uref的过零点移相到输入信号usr峰值时刻上，考虑到轴角传感器的相位延迟，这一相位将不会是严格的90°或270°，需要在实际电路调试时调整，N2的作用是对N1的输出信号u1整形为方波u2送入单稳态电路DW，在u2信号的下降沿触发单稳压电路产生一个窄脉u3，在脉冲的低电平期间通过采样保持器S/H对输入信号usr进行峰值采样，并检出相位信息，采样保持式相敏整流电路的主要波形图311所示。


图310采样保持式相敏整流电路




图311采样保持式相敏整流电路的主要波形图


由图311可以看出，采样保持式相敏整流电路同样具有抑制与参考电源信号uref正交的输入信号，也具有鉴相功能。
3. 用模拟乘法器作相敏整流电路
模拟乘法器也能实现相敏整流电路的功能。现有的集成器件，国产的型号有FZ4、BG314、F1595； 国外的型号如LM1496N、MC1494L、MC1495/1595等，


图312模拟乘法器

它们都是四象限模拟乘法器。模拟乘法器如图312所示，模拟乘法器的一个输入端为交流输入信号usr，另一个输入端为参考交流电压信号uref。


usr=Usrsin（ωt+φ1）

uref=Urefsin（ωt+φ2）(32)




usr与uref同相，φ1=φ2=φ，则模拟乘法器的输出信号usc为


usc=kusr×uref

=kUsrUrefsin2（ωt+φ）

=kUscsin2（ωt+φ）(33)


式中，k——乘法器的系数； 
Usc=UsrUref——常数。
由于sin2（ωt+φ）≥0，所以式(33)中的usc为正的脉动直流信号，若再经滤波电路即可得到平稳直流信号。
若usr和uref反相，φ1-φ2=180°，则模拟乘法器的输出信号为


usc=kusr×uref

=kUsrUrefsin（ωt+φ1）sin（ωt+φ2）

=-kUscsin2（ωt+φ1）(34)


因为usc<0，所以usc为负的脉动直流信号。由此可以看出模拟乘法器具有相敏特性。
当usr和uref不同相也不反相时，若usr=Usrsin（ωt+φ），uref=Urefsinωt，且0<φ<180°，则可将usr分解成与uref同相的分量以及与uref正交的分量之和，则


usr=Usr（cosφsinωt+sinφcosωt）(35)


此时，乘法器的输出电压是


usc=kUsrUref(cosφsinωt+sinφcosωt)sinωt

=Usccosφsin2ωt+12Uscsinφsin2ωt(36)


式(36)等式右边第一项与sin2ωt成正比，是脉动的直流成分，而第二项是交流成分，经滤波后仅取其直流成分，说明模拟乘法器也具有鉴相的功能，也能抑制与ut正交的信号。
4. 相敏整流集成电路
随着科学技术的进步，现代随动系统中的相敏整流电路也采用专用集成电路来实现。LZX1单片集成电路是一种全波相敏整流放大器。它是以晶体管作为开关元件的全波相敏整流器，具有同时产生方波电压，把输入交流信号经全波整流后变为直流信号，以及鉴别输入信号相位等功能。该器件可以代替变压器、斩波器和放大器，使相敏整流实现全集成电路化。目前，国内外已有单片集成的调制解调芯片。国产的有LZX1、LZX1C、HJ001~HJ003、MXT001/MXT002等芯片，国外的有美国AD公司生产的AD630芯片和MOTOROLA公司生产的MG1496、MG1596等。这些芯片既可以作解调器，也可以作调制器。下面将以国产LZX1芯片为例介绍相敏整流集成电路的工作原理及应用。
LZX1芯片由一个包括方波发生器和三极管在内的相敏解调器和一个运算放大器组成，如图313所示。当方波发生器的C端输出为正电平，三极管V1饱和导通，A点电位为零，方波发生器D端的输出为负电平，三极管V2截止断开，B点电位与输入端5的电位相同。反之，当方波发生器的C端输出为负电平，三极管V1截止断开，A点电位与输入端5的电位相同，方波发生器D端的输出为正电平，三极管V2饱和导通，B点电位为零。所以，三极管V1和V2分别构成半波整流，经差分放大器输出得到全波整流电压信号。LZX1芯片电路各点的信号波形如图314所示。



图313LZX1芯片原理图




图314LZX1芯片电路各点的信号波形


LZX1单片集成电路是一种全波相敏整流电路，它输出的直流电压不仅与输入交流信号电压的幅值成正比，而且与输入交流信号的相位有关。它们之间的关系可以表示为


Usc=kUsrcosθ(37)


式中，k——整流系数； 
Usr——输入交流信号电压的幅值； 
θ——输入信号电压与参考电压之间的相位差。
当输入电压与参考电压同相位，即θ=0时，Usc>0； 当输入电压与参考电压反相位，即θ=180°时，Usc<0。
如图315所示是采用LZX1的相敏整流电路的典型接法。图中，R为调零电位计； C1为消振电容，通常其容值为51pF，耐压值为63V； C2为滤波电容，通常选用电容值为0.1μF，耐压160V； 第2、3脚为参考电压输入端； 第1、5引脚为交流信号输入端； 第9、10脚为直流信号输出端。


图315LZX1典型接线图


3.2.2振幅调制电路
在有些系统中，为了解决直流放大器的不稳定问题（交流放大器具有的良好稳定性），就需要利用振幅调制电路将直流信号调制成具有固定频率的交流信号，交流信号的幅值正比于直流信号的大小，其相位与直流信号的极性对应。
按振幅调制电路工作原理和构成的元件可分为开关式、模拟乘法器式和集成电路3种。
1. 开关式振幅调制电路
图316(a)是一种用二极管组成的开关式调制电路，4个二极管接成全波整流桥的形式。直流输入Usr经电阻R1加在整流桥的a、b两端，参考电压uref=Urefsinωt经限流电阻R2加到整流桥的c、d端。要求Uref>|Usrmax|。这使得整流桥4个二极管的通、断状态完全取决于uref的极性。例如，uref正半周时，整流桥断开，输入经R1、Rf给C充电； uref负半周时，整流桥导通，a、b等电位，如同短接，电容C上的电压经整流桥和Rf放电，如此循环，在Rf两端获得输出交流电压usc，其波形如图316(b)所示，基波的角频率等于ω。显然，Usr的大小将决定usc的振幅值，Usr的极性决定usc的正、反相。


图316二极管组成的开关式调制电路


由于图316(a)电路电容充、放电的时间常数不等，在Rf两端获得的输出电压usc的波形不对称。
2. 模拟乘法器振幅调制电路
模拟乘法器不仅可作相敏整流电路用，也可作振幅调制器用。只需将它的一个输入端加直流输入信号Usr，另一个输入端加交流参考电压uref=Urefsinωt，则在它们的输出端可得


usc=kUsrUrefsinωt(38)


3. 振幅调制集成电路
前面讲到的国产的LZX1、LZX1C、HJ001~HJ003、MXT001/MXT002、国外的AD630MG1496、MG1596等，不仅可以作相敏整流解调器，也可以作调制器。
图317是LZX1构成的典型振幅调制电路，由R1~R3、RW、C1和N1等元件组成。图中，C1为消振电容，通常其容值为51pF，耐压值为63V； 第2脚为参考交流电压Uref输入端； 第1、5脚为直流输入信号Usr输入端； 第9、10脚为交流输出信号usc输出端，RW为N1的调零电位器； N1选用单片集成电路LZX1。


图317LZX1构成的典型振幅调制电路


在集成电路LZX1上，由于输入回路中串入了阻值较大的R1和R2，就降低了反相放大倍数，故在相敏集成块LZX1输出的第9和10两脚之间串入电阻R3，来提高反相放大倍数，以保持输出波形的对称性。
调制电路输入、输出波形如图318所示。



图318调制电路输出波形示意图


4. 电压频率转换(V/F)电路
在随动系统中采用变频调速时，需进行电压频率调制转换，输入电压Usr的大小改变，输出电压usc的频率对应改变。图319是采用模拟定时器5G555组成的V/F转换电路。它的第一级是差动积分器，第二级是由5G555构成的单稳态触发器，因而输出是矩形脉冲。输入信号Usr加在第一级的反相输入端，输出的矩形脉冲反馈回来加到第一级的同相输入端。由于Usr是直流，差动积分器的输出是三角波，经单稳态触发器输出为矩形脉冲。由于脉冲的幅值一定，输入Usr变化，将改变积分器输出三角波的斜率，从而改变输出脉冲的频率。


图319模拟定时器5G555组成的V/F转换电路


模拟集成定时器国内有5G555、5G1555、CH7555； 国外的型号有XR555、NE555、SE555、LC555、LM555、MC 1555、RC555、RM555、CA555等。
国外已有V/F转换电路的集成芯片如AD650，它将积分器、电压比较器和单稳态触发器集成在一个芯片上，它的引脚及外部接线表示如图320所示，它的功能与上面介绍的电路完全相同。在AD650作V/F转换线路时，3号引脚是输入端，第一级放大器接成积分器，积分器输出由1号引脚经外部连线接到9号引脚，它是电压比较器的一个输入端，再经过单稳态触发器变成脉冲，由第8号引脚输出。



图320V/F转换电路集成芯片AD650


5. 频率电压(F/V)转换电路
在高精度调速系统中，不仅要求高精度测速装置，而且要求有高精度控制技术，采用锁相调速技术可以提高调速的控制精度。在锁相调速系统中，通过改变输入信号的频率fr控制系统输出速度，达到高精度调速的目的，这种锁相调速系统需要有F/V转换电路。
F/V转换电路是由单稳态触发器和滤波器组成的，不管输入信号脉冲有多宽，利用其上升沿(或下降沿)触发单稳态触发器； 单稳态触发器有固定的暂态时间，因而它输出脉冲的幅度与宽度是一定的。输入脉冲的频率低，则单稳态触发器输出的脉冲稀疏； 输入脉冲频率高，则触发器输出的脉冲紧密，经滤波后，直流输出电压Usc大小不同，完成频率电压转换。图321就是采用定时器CH7555接成单稳态触发器，图中R1、C2决定其暂态时间，即脉冲宽度t≈1.1R1C2。


图321定时器CH7555组成的F/V转换电路


经运算放大器F007组成的滤波器，输出Usc是比例于输入脉冲频率的直流电压。
AD650集成电路，除可以接成V/F转换线路外，也可以接成F/V转换电路如图322所示。当AD650作F/V转换线路时，9号引脚为输入端，1号引脚为输出端。脉冲输入信号先经电压比较器，再去触发单稳态触发器。它的外接电容C1取为50~1000pF，则单稳态触发器输出的脉冲宽度t=0.1μs~0.1ms。这时电路的输出端是第1号引脚，将AD650输出通过低通滤波器，把单稳态触发器输出的脉冲串进行滤波，得到比例于输入脉冲频率的电压信号Usc。如图322所示的电路将频率信号转变成对应的电压信号，只适用于单方向调速，而不适用于可逆调速。


图322AD650集成电路组成F/V电路


3.3信号放大电路
信号放大电路的作用是将由测量元件输出的微弱信号进行放大，满足功率放大元件的输入要求。如随动系统的执行元件是由功率模块提供电源来驱动的，而功率模块的输出则与系统控制信号紧密相关，其控制信号必须具有足够的电压才能使功率模块工作，并为执行元件提供足够的电压和电流，使执行元件带着随动系统工作。因此，需要对系统控制信号进行放大。信号放大电路有多种形式，下面给出几种形式的信号放大电路。
3.3.1运算放大器构成的信号综合放大电路
信号综合放大电路的作用是将前一级的输出信号与送入该级的反馈信号或补偿信号，按一定的比例叠加，放大后形成控制信号。显然，信号综合放大电路是一个比例加法器，如图323所示的信号综合放大电路，由电阻R1~R3和集成运算放大器N1等元件组成，R1、R2分别为前一级输出信号电压Ui和反馈信号电压Uf的输入电阻，R3为运算放大器的反馈电阻，Uo为信号综合放大电路的输出。



图323运算放大器构成综合放大电路


信号的传输关系可表示为


Uo=kiUi+kfUf(39)


式中ki=－R3R1,kf=－R3R2。
3.3.2集成运算放大器与晶体管构成的两级放大电路
如图324所示两级放大电路由电阻R1~R14、运算放大器N1、二极管D1~D4、稳压二极管DW1~DW2、晶体三极管V1~V4和压敏电阻Rv等元件组成，电路的负载是放大电动机的控制绕组KI、KII。



图324放大电路原理图


两级放大器以N1运算放大器和V1、V2等元件组成比例放大器，构成前置放大级，其余部分组成功率放大器，构成末级放大级。 
V1、V2用来对运算放大器N1进行电流扩展。R5、R7、D1和D2用来对V1、V2的基极进行电压分配，形成基极偏置电压，R6和R8是V1、V2的限流电阻，R1为N1的输入电阻，R2为反馈电阻，R3为N1正相输入接地电阻，用来为信号提供参考点。
输入信号Usr经由N1组成的比例放大器放大后，由V1、V2进行电流放大，送入放大电路末级功率三极管V3、V4进行电压和电流放大，然后驱动放大电动机控制绕组。DW1、DW2用来对放大信号进行限幅，目的是防止放大机控制绕组和功放级反窜电压对前置级的影响。V3、V4的集电极回路分别串入电动机放大机的控制绕组KⅠ和KⅡ。V3、V4集电极电源为+100V电源。R10和R11为功放级电流负反馈电阻。R12、D3和R13、D4和控制绕组KⅠ和KⅡ分别构成续流电路，用以在大信号换向时给KⅠ或KⅡ绕组续流。压敏电阻Rv用来吸收电动机放大机控制绕组回路中的浪涌电流。Rv是负压阻系数电阻，即加在Rv上的电压增加时，Rv阻值减小； 反之，Rv阻值增大。故随着放大电路输出信号的增大，浪涌吸收系数也增大。
3.3.3晶体管构成的综合放大电路
当需要对前一级送来的输入信号和从后面级反馈来的信号同时进行综合放大，并将不对称的输入信号变成对称的输出信号和减少零漂，可采用差动放大电路构成综合放大电路，其原理电路如图325(a)所示。
在图325中，晶体管V1和V2参数相同且为高放大系数，集电极电阻R1和R2阻值相同，R3为耦合电阻，R4为外加正偏压电阻，R5为负反馈电压供给电阻。
当输入信号Usr为零时，因为晶体管V1和V2组成的两臂完全对称，两管的静态集电极电流相等，流过电阻R1和R2产生的电压也相等，故输出信号Usc为零。此时，R3上的自取基极电压和R4上的外加正偏压共同构成了晶体管V1和V2正常工作的基极电压。放大电路简化电路如图325(b)所示。


图325综合放大电路


当输入信号Usr不为零时，若Usr>0，则晶体管V1基极输入信号为ΔUg，V1的基极电位提高，使V1的集电极电流增加，随之电阻R1上产生的电压也增加，使A点电位降低。同时，耦合电阻R3上的电压也增加使发射极电位提高，这样一方面使V1基极电压由原来ΔUg变为ΔUg-ΔUk，另一方面使晶体管V2的基极与发射极间电位差由零变为-ΔUk，从而使V2的集电极电流减少，随之电阻R2上产生的电压也减少，使B点电位升高，故A点和B点间有电位差，输出信号Usc不为零，且Usc<0。由于在电路中晶体管V1和V2为高放大系数晶体管，同时满足R3（1+β）远大于R1或R2就能保证ΔUk=ΔUg/2，显然晶体管V1集电极电流增加的量正好等于晶体管V2的集电极电流减少的量，因此Usc就变为对称的输出信号，且Usc<0。同理，若Usr<0，也可得到对称的输出信号Usc，且Usc>0。
耦合电阻R3有两个作用： 一是产生晶体管V1基极自给偏压，二是把输入信号耦合到晶体管V2的基极上去，将不对称输入信号变为对称的输出信号。这里要注意的是，为了将不对称输入信号变为对称的输出信号需要增大耦合电阻R3值，但为了满足静态工作点要求，R3值又不能太大，因此在电路中还接有一个外加电阻R4以形成外加电压来抵消R3上过大的电压，较好解决了静态工作点问题。 
R5是负反馈电压供给电阻。当随动系统匀速转动时，随动系统执行电动机电枢电流保持不变，使负反馈电阻R5上的电压为零，从而使负反馈不起作用。当随动系统振荡时，随动系统的角加速度急剧变化。若系统的角加速度急剧增大，随动系统执行电动机的电枢电流也急剧增大，则负反馈电阻R5上的电压也增大，使晶体管V2的基极电压增加，V2管的集电极电流增加，导致电阻R2上产生的电压增大，则B点电位降低，放大电路的输出电压Usc减小，从而使随动系统执行电动机电枢电流也急剧减小，使执行电动机电枢电流维持不变，因此随动系统的振荡减小。反之，若随动系统的角加速度急剧减小，随动系统执行电动机的电枢电流也急剧减小，则负反馈电阻R5上的电压反向增大，使晶体管V2的基极电压减小，V2管的集电极电流减小，导致电阻R2上产生的电压减小，则B点电位升高，放大电路的输出电压Usc增加，从而使随动系统执行电动机电枢电流也急剧增加，使执行电动机电枢电流维持不变，因此随动系统的振荡减小。由此可见，负反馈通过综合放大电路对于执行电动机电枢电流的变化起着阻尼作用，达到提高随动系统的稳定性和改善系统动态品质的目的。
由电路原理可知，综合放大电路的放大倍数为


K=βRaRi+Ra(310)


式中，β——晶体管V1和V2的放大系数； 
Ra——集电极电阻，Ra=R1=R2； 
Ri——晶体管V1和V2的内阻。