測(cè)控電路第六章信號(hào)轉(zhuǎn)換電路.ppt

第6章 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路,計(jì)量測(cè)試工程學(xué) 朱維斌,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,6.1 模擬開關(guān),從信息形態(tài)變化的觀點(diǎn)將各種轉(zhuǎn)換分為三種： 從自然界物理量到電量的轉(zhuǎn)換 電量之間的轉(zhuǎn)換 從電量到物理量的轉(zhuǎn)換,模擬開關(guān)是一種在數(shù)字信號(hào)控制下將模擬信號(hào)接通或斷開的元件或電路。該開關(guān)由開關(guān)元件和控制（驅(qū)動(dòng)）電路兩部分組成。,它是構(gòu)成S/H電路關(guān)鍵器件之一。,控制電路,模擬開關(guān),機(jī)械觸點(diǎn)式,干簧繼電器,水銀繼電器,機(jī)械振子式繼電器,電子式,二極管,雙極型晶體管,場(chǎng)效應(yīng)管（JFET、MOSFET）,集成模擬開關(guān),主要是MOSFET構(gòu)成的模擬開關(guān),計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,（一）增強(qiáng)型MOSFET構(gòu)成的模擬開關(guān),1、N溝道增強(qiáng)型MOSFET開關(guān)電路,N溝道MOSFET的Ronui特性曲線, uiucuT時(shí)，所以u(píng)c加高電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通。 輸出電阻Ron隨ui的變化見上圖,如果柵極G uc為低電平時(shí)，開關(guān)不導(dǎo)通，相當(dāng)于斷路，截止電阻1013。,工作條件 uGS uT0，uT為開啟電壓。,uGS= uc ui,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,2. CMOS開關(guān)電路,o,R,on,R,on,(C),R,on,(N),R,on,(P),u,i,a),b),uGN為高電平，uGP為低電平，二管導(dǎo)通， 反之 uGN為低電平，uGP為高電平，二管截止。 N、P溝道的曲線變化互補(bǔ)，所以等效電阻特別平坦，好。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,4066管腳信息,（二）多路模擬開關(guān),邏輯電平轉(zhuǎn)換電路,圖6-5 CD4051原理圖,組成：譯碼器+多路雙向模擬開關(guān),3.集成模擬開關(guān),例：CD4066 四雙向模擬開關(guān),計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,6.2 采樣保持電路,采樣保持電路是把不斷變化的模擬信號(hào)，在某一瞬間的值保持下來。,捕捉時(shí)間：從發(fā)出采樣指令的時(shí)刻起，直到輸出信號(hào)穩(wěn)定地跟蹤上輸入信號(hào)為止，所需的時(shí)間定義為捕捉時(shí)間 關(guān)斷時(shí)間：從發(fā)出保持指令地時(shí)刻起，直到輸出信號(hào)穩(wěn)定下來為止，所需的時(shí)間定義為關(guān)斷時(shí)間。,捕捉時(shí)間長(zhǎng)，電路的跟蹤特性差，關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)，電路的保持特性不好，它們限制了電路的工作速度。,一、基本原理,采樣保持電路的基本組成： 模擬開關(guān) 模擬信號(hào)存儲(chǔ)電容 輸入、輸出緩沖放大器,S接通時(shí)，輸出信號(hào)跟蹤輸入信號(hào)，稱采樣階段，S斷開時(shí)，電容C兩端一直保持?jǐn)嚅_前的電壓，稱保持階段。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,實(shí)際電路見下圖：,uc為高電平，開關(guān)S接通，采樣階段,uc為低電平，開關(guān)S斷開，保持階段,采樣時(shí)間間隔Ts愈短，波形愈準(zhǔn)確。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,二、采樣定理,采樣定義：依據(jù)采樣定理按照一定的時(shí)間間隔從連續(xù)的模擬信號(hào)中抽取一系列的時(shí)間離散樣值。,采樣頻率：,模擬信號(hào)最大頻率為fmax,fs2fmax,在實(shí)際工作中， fs10fmax，我們?cè)瓉淼牟ㄐ尾挪皇д妗?在頻域里面看看采樣定理：,a）圖為輸入信號(hào)的頻譜,采樣后所獲得的信號(hào)是模擬信號(hào)f(t)與采樣脈沖fs(t)相乘的結(jié)果，同時(shí)周期性采樣脈沖fs(t)可以用傅立葉級(jí)數(shù)來表示。,頻譜圖為左b)圖,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,c) S/H電路輸出信號(hào)頻譜,得到頻譜c）圖,在上圖中，假如要不失真，那就是頻譜圖不能重疊。,fsfmin,fsfmin, fsfmaxfmax,得： fs 2fmax,三、單片集成采樣保持電路,前面所講為最基本的采樣/保持電路。,但是我們知道開關(guān)就算斷開以后，也有漏電流存在，所以我們需要高精度的采樣/保持電路,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,U,c,-,+,+,N,R,-,E,V,1,u,i,C,u,o,V,高精度S/H電路,V為主開關(guān)，V1為隔離開關(guān)。,uc為高電平時(shí)，V和V1導(dǎo)通，C上電壓=ui，uo=ui。,uc為低電平時(shí)，V和V1斷開，C上電壓保持最后狀態(tài)不變，保持階段。,V假如有漏電流，那流過R。,I1很小，所以u(píng)1很小，,同時(shí)u2為運(yùn)放失調(diào)電壓，也很小，,在這種情況下，V1的漏電流大大減小,從而大大提高了存儲(chǔ)電容的精度,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,單片集成采樣保持器：AD571,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,6.3 電壓比較電路,uiuR uo=0 uiuR uo=1,一般運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)下，就是電壓比較器。,比較器用通用運(yùn)算放大器和專用集成比較器的區(qū)別？ （1）比較器的一個(gè)重要指標(biāo)是它的響應(yīng)時(shí)間，它一般低于10-20ns。響應(yīng)時(shí)間與放大器的上升速率和增益-帶寬積有關(guān)。因此，必須選用這兩項(xiàng)指標(biāo)都高的運(yùn)算放大器作比較器，并在應(yīng)用中減小甚至不用相位補(bǔ)償電容，以便充分利用通用運(yùn)算放大器本身的帶寬來提高響應(yīng)速度。 （2）當(dāng)在比較器后面連接數(shù)字電路時(shí)，專用集成比較器無需添加任何元器件，就可以直接連接，但對(duì)通用運(yùn)算放大器而言，必須對(duì)輸出電壓采取嵌位措施，使它的高，彽輸出電位滿足數(shù)字電路邏輯電平的要求。,常用集成電壓比較器：MAX475，LM139，LM111，LM119等等,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,最常用的就是電平檢測(cè),參考電壓,輸入電壓,輸出,把正弦波變成方波，整形等等常用方波,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,a)求和型比較電路,-,+,+,u,i,U,o,U,R,1,R,2,R,優(yōu)點(diǎn)：閾值可變 缺點(diǎn)：振零現(xiàn)象,為了克服振零現(xiàn)象，可采用滯回比較電路。,遏制共模誤差,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,兩個(gè)門限電壓：,滯后電平：,可見，滯后電壓可用R1或R2來調(diào)節(jié)，合理選擇其大小，使之稍大于預(yù)計(jì)的干擾信號(hào)，就可消除上述“振鈴”現(xiàn)象。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,6.4 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路,V/f 轉(zhuǎn)換器 定義：V/f (電壓/頻率)轉(zhuǎn)換器能把輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，即它的輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)電壓值成比例，故又稱為電壓控制(壓控)振蕩器(VCO)。 應(yīng)用：在調(diào)頻，鎖相和A/D變換等許多技術(shù)領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用。 指標(biāo)：額定工作頻率和動(dòng)態(tài)范圍，靈敏度或變換系數(shù)，非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數(shù)等,反之：把頻率變化信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成電壓變化信號(hào)的轉(zhuǎn)換器稱為f/V轉(zhuǎn)換器。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,6.5 電壓電流轉(zhuǎn)換電路,要求I/V轉(zhuǎn)換器有低的輸入阻抗及輸出阻抗，而V/I轉(zhuǎn)換器有高的輸入阻抗及輸出阻抗。,一、I/V轉(zhuǎn)換器,ri,is為電流源，Rs為電流源內(nèi)阻。 理想狀態(tài)下，Rs應(yīng)很大。 iF=isiBis 也即輸入電流is全部流過反饋電阻RF uo= isRF 輸出電壓uo與輸入電流is成正比，即實(shí)現(xiàn)了電流/電壓的變換。,集成I/V轉(zhuǎn)換器：RCV420、MAX472,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,二、V/I轉(zhuǎn)換器,a）反相式,b）同相式,iI=Il=uI/R1,iI,表明：負(fù)載阻抗中的電流iL與輸入電壓uI成正比，而與負(fù)載阻抗ZL無關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了電壓與電流的變換。這個(gè)電路的缺點(diǎn)是，要求信號(hào)源和運(yùn)算放大器都能給出要求的負(fù)載電流值，這是由于信號(hào)ui加于運(yùn)算放大器反相輸入端造成的。,b）圖同相式，信號(hào)接于運(yùn)算放大器的同相端，由于同相端有較高的輸入阻抗，因而信號(hào)源只要提供很小的電流。,iI=Il=uI/R1,當(dāng)需要較大的電流，或較高的輸出電壓（負(fù)載ZL有較大的阻抗值）時(shí)，普通的運(yùn)放可能難以滿足要求。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,ui,ui,大電流和高電壓的電壓/電流變換器,由于采用了三極管T來提高驅(qū)動(dòng)能力，其輸出電流可高達(dá)幾安培，甚至于幾十安培。,iI=Il=uI/R1,當(dāng)負(fù)載ZL的阻抗值較高時(shí)，a）圖所示的電路中的運(yùn)放仍然需要輸出較高的電壓。普通運(yùn)放的輸出最高幅值不超過18V。即使是高壓運(yùn)算放大器，其輸出最高幅值一般不超過40V，而且價(jià)格昂貴。,a）,b）,b）圖所示的電路可以滿足負(fù)載ZL的阻抗值較高時(shí)需要較高輸出電壓的要求，該電路同時(shí)也能給出較大的負(fù)載電流。由于采用同相輸入方式，也具有很高的輸入阻抗。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,式中，為晶體管T的直流電流增益。選用值較大的晶體管，可有 1，則：,ui,b）,集成A/D轉(zhuǎn)換器：AD693,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,6.6 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路,一、D/A轉(zhuǎn)換器,D/A主要技術(shù)指標(biāo),分辨率：,精度,建立時(shí)間,對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字輸出的模擬輸入電壓有一定的幅度范圍，若超過這個(gè)幅度范圍，數(shù)字輸出就會(huì)發(fā)生變化，這樣能分別的電壓范圍叫做分辨率。通常用LSB（Least Significant Bit)表示。,二、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性,UR為D/A的基準(zhǔn)電壓,對(duì)應(yīng)于最高位（MSB）的輸出電平是UR/2，對(duì)應(yīng)于最低有效位（LSB）的輸出電平是UR/2n，滿量程值為,可見滿量程值比基準(zhǔn)電壓小一個(gè)LSB電平，只要n足夠大，UFUR。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,三、D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)及原理,單片D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成,基準(zhǔn)電壓源,電阻解碼網(wǎng)絡(luò),電子開關(guān)陣列,相加運(yùn)算放大器,必有,基準(zhǔn)電壓源穩(wěn)壓二極管或外接電壓。,電子開關(guān)陣列許多模擬開關(guān)組成，每個(gè)開關(guān)控制一個(gè)二進(jìn)制的權(quán)。,電阻解碼網(wǎng)絡(luò)核心部分，分兩種,加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò),T型電阻網(wǎng)絡(luò),1、加權(quán)型,S1Sn為模擬開關(guān)，由相應(yīng)的d1dn二進(jìn)制碼控制,UR為參考電壓,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,S1的權(quán)電阻為R S2的權(quán)電阻為2R,Sn的權(quán)電阻為2n-1R,接通相應(yīng)的Sn，相應(yīng)的權(quán)電流為,總的權(quán)電流,若R1=R/2,這種電路的缺點(diǎn)是：權(quán)電阻的精度影響太大,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,2、T型電阻網(wǎng)絡(luò),R2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,同樣S1Sn為模擬開關(guān) 這些開關(guān)在地與虛地之間切換 各模擬開關(guān)的支路電流永遠(yuǎn)不變,T型電阻網(wǎng)絡(luò)的特殊之處在哪呢？ 從A1An各節(jié)點(diǎn)向右看，對(duì)地電阻均為R。換句話說，就是從A1An各節(jié)點(diǎn)出發(fā)，往右、往下看，兩個(gè)支路的等效電阻均為2R。,各支路的電流為,S開關(guān)控制流入真的地還是虛地,若R1=R，則,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,二、A/D轉(zhuǎn)換器,（一）、基本原理,同D/A一樣主要技術(shù)指標(biāo),分辨率,精度,建立時(shí)間,b)采樣保持,f,(,t,),t,F,8,F,6,F,5,F,4,F,3,F,2,F,1,0,1,2,3,4,5,6,7,F,7,O,假若,則,將幅度連續(xù)取值的模擬信號(hào)變?yōu)橹荒苋∮邢迋€(gè)某一最小當(dāng)量的整數(shù)倍數(shù)值的過程稱為量化。,通過量化將連續(xù)量轉(zhuǎn)換成離散量，必然存在類似于四舍五入產(chǎn)生的誤差，最大誤差可達(dá)到1LSB的1/2。此誤差叫做量化誤差。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,編碼怎么編？,設(shè)二進(jìn)制數(shù)碼為（d1d2dn），則,|量化值采樣值|=量化誤差,假如最小量化單位為,為1個(gè)LSB（量化階）。,那最大量化誤差為,LSB,（二）A/D轉(zhuǎn)換器基本工作原理,1.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,積分器,過零電壓比較器,控制邏輯電路,時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器,組成,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,1.預(yù)備階段 邏輯控制電路發(fā)出復(fù)位指令，S4閉合，積分器輸入輸出都為零。,2.定時(shí)積分階段 在t1時(shí)刻，邏輯控制電路發(fā)出啟動(dòng)命令，S4斷開，S1閉合，于是積分器開始對(duì)輸入電壓ui積分，同時(shí)打開計(jì)數(shù)門，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿N1時(shí)（t2時(shí)刻），計(jì)數(shù)器的溢出脈沖使控制電路發(fā)出控制信號(hào)，S1斷開，定時(shí)積分階段T1結(jié)束。,積分器輸出電壓為：,Ui在T1時(shí)間間隔內(nèi)的平均值。,3.定值積分階段 t2時(shí)刻，S1斷開，與Ui極性相反的基準(zhǔn)電壓接入積分器，這里為+UR。輸出Uo1向零電平斜變。計(jì)數(shù)器也重新從零開始計(jì)數(shù)。當(dāng)輸出電壓達(dá)到零電平時(shí)刻，比較器翻轉(zhuǎn)，邏輯控制電路發(fā)出計(jì)數(shù)器關(guān)門信號(hào)，停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為N2。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,N2經(jīng)寄存器輸出，即完成了模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化,優(yōu)點(diǎn)：精度高，0.01%，抗干擾好。 缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢，mS級(jí)或更長(zhǎng)。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,2.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,工作原理：?jiǎn)?dòng)后，邏輯控制電路使N位寄存器的最高位DN-1為1，以下各位為0，這個(gè)二進(jìn)制代碼送D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓Uo（大致是滿量程的一半），送到比較器與輸入的模擬電壓Ui比較 若UxUo，則保留這一位； 若UxUo，則DN-1位置0。,DN-1位比較完畢后，再對(duì)下一位即DN-2位進(jìn)行比較，控制電路使寄存器DN-2位為1，其以下各位為0，然后再與上一次DN-1結(jié)果一起經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后再次送到比較器Ux相比較。如此一位一位地比較下去，直至比較到最后一位（D0），這時(shí)Ui與Uo之間誤差最小。發(fā)出EOC信號(hào)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。,特點(diǎn)：精度較高，0.1%，速度較快，us級(jí)。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,3.并行比較式式A/D轉(zhuǎn)換器,3位并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器,輸入電壓ui將與7各基準(zhǔn)電壓同時(shí)進(jìn)行比較。,譯碼和鎖存電路的作用是對(duì)7個(gè)比較器的輸出狀態(tài)進(jìn)行譯碼和鎖存，輸出三位二進(jìn)制碼。,優(yōu)點(diǎn)：速度快，nS秒級(jí)，精度一般，低于逐次逼近式。,缺點(diǎn)：造價(jià)太高。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,（三）集成A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換時(shí)間,轉(zhuǎn)換精度：位數(shù),逐次逼近式用的最多。,1. ADC0809 逐次逼近式。,計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 朱維斌,2. 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135,ICL7135是雙斜積分式位半的單片A/D轉(zhuǎn)換器,通常情況下，設(shè)計(jì)者都是用單片機(jī)來并行采集ICL7135的