測(cè)控電路--信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

1、測(cè)量與控制電路 測(cè)控電路 測(cè)量與控制電路26. 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路靈：可以根據(jù)信號(hào)處理、使用、控制的要求轉(zhuǎn)換成所需形式：電壓、電流；幅值、頻率；連續(xù)信號(hào)的離散化；模擬、數(shù)字、開關(guān)信號(hào)等形式。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路用于將各類型的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換電路用于將各類型的信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，使具有不同輸入、輸出的器相互轉(zhuǎn)換，使具有不同輸入、輸出的器件可以聯(lián)用。件可以聯(lián)用。6. 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路在信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，需要考慮以下兩個(gè)問題：l 轉(zhuǎn)換電路應(yīng)具有線性特性；l 要求信號(hào)轉(zhuǎn)換電路具有一定的輸入阻抗和輸出阻抗以與之相聯(lián)的器件阻抗匹配。從信息形態(tài)變化的觀點(diǎn)將各種轉(zhuǎn)換分為三種：l 從自然界物理量到電量的轉(zhuǎn)換l 電量之間的轉(zhuǎn)換l 從電

2、量到物理量的轉(zhuǎn)換電壓比較電路：模擬-開關(guān)信號(hào)的轉(zhuǎn)換 電壓電流轉(zhuǎn)換電路電壓頻率轉(zhuǎn)換電路采樣保持電路6. 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路 測(cè)量與控制電路56.1 電壓比較電路 6.1.1 電平比較電路 （一）差動(dòng)比較電路-1-1+1+1# #uiUoURuiURa）電壓比較器符號(hào)）電壓比較器符號(hào)b）電壓比較器特性）電壓比較器特性電壓比較器是一種電壓-開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換器。一種將電壓信號(hào)離散化電路 測(cè)量與控制電路66.1 電壓比較電路 6.1.1 電平比較電路 （二）求和比較電路（閾值可變） 優(yōu)點(diǎn)：閾值可變 缺點(diǎn)：振鈴現(xiàn)象12RRUUR -+uiUoUR1R2RURuiun電平比較器的“振鈴”現(xiàn)象Uo 測(cè)量

3、與控制電路76.1 電壓比較電路 6.1.2 滯回比較電路不同方向變化不同閾值不同方向變化不同閾值a) 電路原理圖電路原理圖b) 傳輸特性傳輸特性u(píng)iUoU1OU2-1-1+1+1# #uiUoURRR2R1212oL211R1RRRURRRUU212oH211R2RRRURRRUU6.1 電壓比較電路 6.1.2 滯回比較電路-1+1#uiUoURRR2R1VS2VS3電壓比較器是一種帶正反饋的運(yùn)算放大器，以提高轉(zhuǎn)換速率，消除振鈴現(xiàn)象，可以通過鉗位以獲得所需電平開關(guān)信號(hào) 測(cè)量與控制電路96.1 電壓比較電路 6.1.3 窗口比較電路 單方向多個(gè)閾值ui“1”“0”O(jiān) UUR2UR1Uo-1-

4、1+1+1# # & &-1-1+1+1# #uiVSR1RPR2Uo1Uo2UoUZN2N1UR2UR1E6.2.1 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路6.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路R1- -+ + +NuoR2Rsisi（一）反相輸入型sii 1s1oRiiRu要求電流源is的內(nèi)阻Rs必須很大， is需遠(yuǎn)大于運(yùn)算放大器偏置電流6.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路6.2.1 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路（二）同相輸入型R2- -+ + +NuoR1R3R4iui321o1RRiRu6.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路6.2.2 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路ioLo311N2RiRRRui313N1uRRRu)(7Lo422P1RRiRRRu

5、b422P2URRRubi724oUuRRRiR4R7+RL R4- -+ + +NV2R5R1R3V1R2R6R7uNuPuiUb+ER1=R2，R3=R4 RL6.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路6.2.2 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路結(jié)論：結(jié)論：l當(dāng)當(dāng)N的開環(huán)增益及輸入電阻足夠大時(shí)，輸?shù)拈_環(huán)增益及輸入電阻足夠大時(shí)，輸出電流出電流io與輸入電壓與輸入電壓ui的關(guān)系只與的關(guān)系只與R2、R4及及反饋電阻反饋電阻R7有關(guān)，而與運(yùn)算放大器參數(shù)及有關(guān)，而與運(yùn)算放大器參數(shù)及負(fù)載電阻無關(guān)，說明它具有恒流性能。負(fù)載電阻無關(guān)，說明它具有恒流性能。l輸入電流輸入電流io與輸入電壓與輸入電壓ui的轉(zhuǎn)換系數(shù)決定的轉(zhuǎn)換系數(shù)決定于電路參數(shù)

6、，因此可以根據(jù)于電路參數(shù)，因此可以根據(jù)io與與ui的范圍決的范圍決定電路參數(shù)。定電路參數(shù)。n要求：（1）輸出電流只與輸入電壓有關(guān)，與負(fù)載基本無關(guān)；（2）能夠輸出所需較大電流。6.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路6.2.2 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路RLuiio輸出電流不僅與輸入電壓有關(guān)，而且與負(fù)載有關(guān)不能輸出所需較大電流ioRLuiRRRL 測(cè)量與控制電路156.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路定義：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（電壓調(diào)頻），鎖相和A/D變換等許多技

7、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6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路(一）積分復(fù)原型 ui越高uC越快達(dá)到uP電平，比較器翻轉(zhuǎn)越快V- -+ + +N2- -ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo- -U比較器比較器復(fù)原開關(guān)復(fù)原開關(guān)- -+ + +N1R2uiR1C積分器積分器 測(cè)量與控制電路176.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路(一）積分復(fù)原型 6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路OU1U2uoT1T2tuCU2U1ttOOuP761Z6767RRUUURRRR 762Z6767RRUUURRRR

8、 21TTi2110)(11uUUCRTfV-+N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比較器比較器復(fù)原開關(guān)復(fù)原開關(guān)-+N1R2uiR1C積分器積分器6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路(一）積分復(fù)原型 6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路OU1U2uoT1T2tuCU2U1ttOOuPiitiCuUUCRTUUTCRudtuCRtu)(1)(21112111016.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路(一）積分復(fù)原型 6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路對(duì)于放電過程，電流為變化的，其平均值為：對(duì)于放電過程，電流為變化的，其平均值為：)(2321cerRUUI21213122)( 2UUUUCrRCIUUT

9、ce)(2)(21312121UUrRuRCUUTTTceiiuUUCRTf)(112110輸入電壓越大，充電電流及鋸輸入電壓越大，充電電流及鋸齒波斜率越大，輸出脈沖頻率齒波斜率越大，輸出脈沖頻率越高。越高。6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路上述簡(jiǎn)單壓頻變換器的精度和動(dòng)態(tài)范圍受到限制的根本上述簡(jiǎn)單壓頻變換器的精度和動(dòng)態(tài)范圍受到限制的根本原因在于復(fù)位電路具有非線性，雖然可采取適當(dāng)方法進(jìn)行原因在于復(fù)位電路具有非線性，雖然可采取適當(dāng)方法進(jìn)行補(bǔ)償，但補(bǔ)償總是不完全的或者適用范圍很狹窄。因此對(duì)補(bǔ)償，但補(bǔ)償總是不完全的或者適用范圍很狹窄。因此對(duì)于這類簡(jiǎn)單電路，提高精度的主要措施時(shí)縮小復(fù)位

10、時(shí)間。于這類簡(jiǎn)單電路，提高精度的主要措施時(shí)縮小復(fù)位時(shí)間。若要使非線性誤差從若要使非線性誤差從1 1提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到0.01%0.01%，則，則復(fù)位時(shí)間必須減小到最小信號(hào)周期的復(fù)位時(shí)間必須減小到最小信號(hào)周期的0.010.01以下。當(dāng)額定以下。當(dāng)額定工作頻率為工作頻率為10KHZ10KHZ時(shí)，信號(hào)的最小周期為時(shí)，信號(hào)的最小周期為0.1ms,0.1ms,這樣，復(fù)位這樣，復(fù)位時(shí)間必須小于時(shí)間必須小于0.01US0.01US，簡(jiǎn)單變換電路通常很難滿足這個(gè)要，簡(jiǎn)單變換電路通常很難滿足這個(gè)要求。因此，必須改進(jìn)復(fù)位電路，限制它的非線性影響。最求。因此，必須改進(jìn)復(fù)位電路，限制它的非線性影

11、響。最常用的方法時(shí)電荷平衡法，而集成壓頻變換器幾乎都是常用的方法時(shí)電荷平衡法，而集成壓頻變換器幾乎都是按這種方案設(shè)計(jì)的。利用這種方法，可以得到精度很高，按這種方案設(shè)計(jì)的。利用這種方法，可以得到精度很高，動(dòng)態(tài)范圍很寬的壓頻變換器。動(dòng)態(tài)范圍很寬的壓頻變換器。 測(cè)量與控制電路21(二）電荷平衡型6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路uo11itQ 0s01QIi tQ 0s11 tiItRtIuitIttf0si0s1011uot1tuCtOOt0- -+ + +N1- -+ + +N2SuiRIS單穩(wěn)單穩(wěn)定時(shí)器定時(shí)器uCiURC（1）線性好；（）線性好；（2）易于集成）易于集成(二）

12、電荷平衡型6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1 1）利用電荷平衡法，輸出脈沖頻率與輸入電流有精密的線）利用電荷平衡法，輸出脈沖頻率與輸入電流有精密的線性關(guān)系。這種方案可使非線性誤差降到性關(guān)系。這種方案可使非線性誤差降到0.0050.005以下，這是因以下，這是因?yàn)檫@種方案與簡(jiǎn)單壓頻變換器不同，它在復(fù)位電路中采用了兩為這種方案與簡(jiǎn)單壓頻變換器不同，它在復(fù)位電路中采用了兩個(gè)精密部件定時(shí)電路和恒流源，這就是放電電荷與輸入信號(hào)個(gè)精密部件定時(shí)電路和恒流源，這就是放電電荷與輸入信號(hào)無關(guān)，始終為定值，提高了變換電路的線性度。無關(guān)，始終為定值，提高了變換電路的線性度。（2 2）

13、易于集成化，通常將積分器，比較器，定時(shí)電路，恒流）易于集成化，通常將積分器，比較器，定時(shí)電路，恒流源和緩沖極集成在一塊硅片上，應(yīng)用時(shí)外加少量元件，就能調(diào)源和緩沖極集成在一塊硅片上，應(yīng)用時(shí)外加少量元件，就能調(diào)節(jié)比較器的門限電位，定時(shí)電路的輸出脈寬和恒流源的輸出電節(jié)比較器的門限電位，定時(shí)電路的輸出脈寬和恒流源的輸出電流，從而提高了這類器件的適應(yīng)能力。流，從而提高了這類器件的適應(yīng)能力。(三三)集成集成V/f轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路 模擬集成模擬集成V/f轉(zhuǎn)換器具有精度高、線性度高、轉(zhuǎn)換器具有精度高、線性度高、溫度系數(shù)低、功耗低及動(dòng)態(tài)范圍寬等一系列優(yōu)溫度系數(shù)低

14、、功耗低及動(dòng)態(tài)范圍寬等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制和點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制和數(shù)字化及智能化測(cè)量?jī)x器中。數(shù)字化及智能化測(cè)量?jī)x器中。 集成集成V/f轉(zhuǎn)換器大多采用電荷平衡型轉(zhuǎn)換器大多采用電荷平衡型V/f轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電路作基本電路，例如典型的換電路作基本電路，例如典型的LM131系列系列轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 CL 精精 密密電流源電流源 電電 流流開開 關(guān)關(guān) RS 觸發(fā)器觸發(fā)器 基基 準(zhǔn)準(zhǔn)電電 源源 - - + + 基準(zhǔn)基準(zhǔn)比較比較器器 - - + + 輸入輸入比較比較器器 - - + + 定時(shí)定時(shí)比較比較器器 R Rt Ct iS RS 4 5 6 7 8 1 2 3 偏流

15、偏流 S R Q 復(fù)位復(fù)位 輸出輸出保護(hù)保護(hù) 驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng) 定定時(shí)時(shí) 域值域值 比較比較輸入輸入 +U 1.9V 電流電流輸出輸出 基準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓電壓 頻率頻率輸出輸出 Q 2R RL V uo 6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路(三三)集成集成V/f轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路n集成V/F轉(zhuǎn)換器 -1 +1 # 單穩(wěn) 態(tài)定 時(shí)器 Q iS uo 4 3 5 7 6 1 2 8 RL CL ui RS S Rt Ct +U u6 u5 +E V # Q 器 輸入 比較 b) 約10mV O O T to t t u6 ui uo （1）uiu6時(shí)，比較器輸出高電平，Q=1，V導(dǎo)通

16、，uo=0；開關(guān)S閉合，iS對(duì)CL充電，u6逐漸上升；與引腳5相連的芯片內(nèi)放電管截止，U經(jīng)Rt對(duì)Ct充電，Ct上升，直至 。3/25UuuCt（2）當(dāng) ，Q=0，V截止，uo=+E；開關(guān)S斷開，CL通過RL放電，u6下降；Ct通過芯片內(nèi)放電管迅速放電到零。當(dāng) ，開始新周期。3/25UuuCtiuu 6 b) 約10mV O O T to t t u6 ui uo n集成V/F轉(zhuǎn)換器設(shè)輸出脈沖周期為設(shè)輸出脈沖周期為T、輸出低電平維持時(shí)間為、輸出低電平維持時(shí)間為t0，在在t0期間，電流期間，電流Is提供給提供給CL、RL的總電荷量量的總電荷量量Qs為：為：sssRttIQ009 . 1周期周期T內(nèi)

17、流過內(nèi)流過RL的總電荷為：的總電荷為：TiQLRu6在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，可以取在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，可以取u6= uiLiLRuin集成V/F轉(zhuǎn)換器 b) 約10mV O O T to t t u6 ui uo TRuQiRttttttCCRCRtUCRtUut1 . 13ln32)exp(1 00LttisLttisRCRuRRCRuRTf09. 21 . 19 . 110n許多頻率解調(diào)電路都屬于f/V 轉(zhuǎn)換電路6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.2 f/V轉(zhuǎn)換電路二、f/V 轉(zhuǎn)換電器 uoOc)ustttOO b)a)Us 把頻率變化的信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成電壓變化的信號(hào)。把頻率變化的信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成

18、電壓變化的信號(hào)。 主要包括電平比較器、主要包括電平比較器、單穩(wěn)觸發(fā)器和低通濾波器單穩(wěn)觸發(fā)器和低通濾波器三部分。三部分。 輸入信號(hào)通過比較器輸入信號(hào)通過比較器轉(zhuǎn)換成快速上升轉(zhuǎn)換成快速上升/下降的下降的方波信號(hào)去觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)方波信號(hào)去觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器，產(chǎn)生定寬、定幅度的器，產(chǎn)生定寬、定幅度的輸出脈沖序列。輸出脈沖序列。 將此脈沖序列經(jīng)低通濾波器平滑，可得到比例于輸入信號(hào)頻將此脈沖序列經(jīng)低通濾波器平滑，可得到比例于輸入信號(hào)頻率率fi的輸出電壓的輸出電壓uo。f/V轉(zhuǎn)換電路n通用f/V 轉(zhuǎn)換電路 包括三個(gè)部分：電平比較器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和彽通濾波器 R12 R C R3 R4=100R3 u1 -E +E

19、 uo C1 R5 uN uP VD3 VD4 R9 R7 R89 V2 R6 R10 V1 VS Um R2 u2 R11 ui +E -E VD1 VD2 R1 C2 - + + N1 - + + N2 - + + N3 +E Tw 0V 0V u2 uN uP Um UH UL 66RRRE UH 0V 0V 0V ui u1 u2 UZ （擴(kuò)展） Tw 0V 0V u2 uN uP Um UH UL 66RRRE UH 0V 0V 0V ui u1 u2 UZ （擴(kuò)展） f/V轉(zhuǎn)換電路n通用f/V 轉(zhuǎn)換電路 測(cè)量與控制電路316.3.1 f/V轉(zhuǎn)換電路集成f/V轉(zhuǎn)換器6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)

20、換電路無信號(hào)輸入： U10， U20保持Q=0，S1接地， V2導(dǎo)通uo RS 觸發(fā)器觸發(fā)器- -+ +輸入輸入比較器比較器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U- -+ +定時(shí)定時(shí)比較器比較器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U- -U7S1S1V1QQui前沿負(fù)脈沖： U11， U20置位Q=1，S1接通， CL充電，V2截止， Ct充電, u5=uCtU-=2U /3, U21 , u6U7, U1=0, Q=06.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.1 f/V轉(zhuǎn)換電路集成f/V轉(zhuǎn)換器每輸入一個(gè)脈沖，is對(duì)CL充電一次充電時(shí)間等于Ct電壓uCt從零上升到U- =2U/3所需

21、時(shí)間 tttt11 . 13lnCRCRt1Ss 1s1.9tQI tRsoRLiiLuQi TTQR1LLottiiss1.92.09t RRuRC fTRR RS 觸發(fā)器觸發(fā)器- -+ +輸入輸入比較器比較器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U- -+ +定時(shí)定時(shí)比較器比較器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U- -U7S1uoS1V1QQ- /(1 e)t TUU單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點(diǎn)： 具有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)兩種工作狀態(tài)。具有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)兩種工作狀態(tài)。 在外加觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)在外加觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)維持一定

22、時(shí)間后，再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)維持一定時(shí)間后，再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)。態(tài)。 暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路的參數(shù)。暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路的參數(shù)。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種脈沖整形電路，多用于脈沖波形單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種脈沖整形電路，多用于脈沖波形的整形、延時(shí)和定時(shí)。的整形、延時(shí)和定時(shí)。 1. 脈沖整形：對(duì)于幅度和寬度都不規(guī)則的脈沖信號(hào)，脈沖整形：對(duì)于幅度和寬度都不規(guī)則的脈沖信號(hào)，只要這些脈沖的幅度都大于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)電平，只要這些脈沖的幅度都大于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)電平，則經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以將不規(guī)則的脈沖波形變成幅則經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以將不規(guī)則的脈沖波形變成幅度和寬度都相同的脈

23、沖波形。度和寬度都相同的脈沖波形。 2. 用于定時(shí)：利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)期間輸出的高、用于定時(shí)：利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)期間輸出的高、低電平去控制某個(gè)電路定時(shí)工作。低電平去控制某個(gè)電路定時(shí)工作。 3. 用于延時(shí)用于延時(shí) 數(shù)字信號(hào)具有抗干擾能力強(qiáng)，便于傳輸、長(zhǎng)期存儲(chǔ)、分辨率高、能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算等優(yōu)點(diǎn)。為了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字，首先要進(jìn)行采樣。這種電路用于一切需要對(duì)輸入信號(hào)瞬時(shí)采樣和存儲(chǔ)的場(chǎng)合，如自動(dòng)補(bǔ)償直流放大器的失調(diào)和漂移等，最常見的是應(yīng)用于快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以保持輸入信號(hào)在采樣過程中不變。當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)模擬信號(hào)時(shí)，為了采得各通道同一時(shí)刻的信息時(shí)，則需用多個(gè)采樣保持器進(jìn)行同時(shí)采樣。 采樣保持電路

24、是一種時(shí)間上離散化電路。 6.4 采樣保持電路6.4 采樣保持電路6.4.1 6.4.1 基本原理基本原理n采樣保持電路的基本組成：（1）模擬開關(guān)（2）模擬信號(hào)存儲(chǔ)電容（3）緩沖放大器 uoa）S/H電路原理電路原理b）模擬信號(hào)采樣）模擬信號(hào)采樣tTs- -+ + +N1- -+ + +uiSUCCtuof(t)OOui, uoUC6.4 采樣保持電路n對(duì)采樣保持電路的對(duì)采樣保持電路的主要要求：主要要求： 精度和速度，充精度和速度，充電快、放電慢電快、放電慢n為提高實(shí)際電路的為提高實(shí)際電路的精度和速度，需同精度和速度，需同時(shí)從時(shí)從元件元件和和電路電路兩兩方面著手解決。方面著手解決。6.4.1

25、6.4.1 基本原理基本原理- -+ + +N1- -+ + +ui uoSUCC帶寬，上升速帶寬，上升速率、最大輸出率、最大輸出電流和漂移電流和漂移輸入阻抗、輸入阻抗、上升上升速率、速率、漂移漂移導(dǎo)通電阻、導(dǎo)通電阻、截止截止電阻、電阻、延遲時(shí)間延遲時(shí)間漏電流漏電流6.4 采樣保持電路6.4.1 6.4.1 基本原理基本原理n采樣保持電路的主要性能指標(biāo)：采樣保持電路的主要性能指標(biāo)：捕捉時(shí)間捕捉時(shí)間：從發(fā)出采樣指令的時(shí)刻起，到輸出值達(dá)：從發(fā)出采樣指令的時(shí)刻起，到輸出值達(dá)到規(guī)定的誤差范圍以內(nèi)所需的時(shí)間。跟蹤性能的到規(guī)定的誤差范圍以內(nèi)所需的時(shí)間。跟蹤性能的標(biāo)志。標(biāo)志。孔徑時(shí)間孔徑時(shí)間：指從發(fā)出保持指

26、令的時(shí)刻起，到開關(guān)真：指從發(fā)出保持指令的時(shí)刻起，到開關(guān)真正斷開所需的時(shí)間。正斷開所需的時(shí)間。 切斷能力的標(biāo)志。切斷能力的標(biāo)志。下垂率下垂率：指由于存貯電容的電荷的泄漏所引起的輸：指由于存貯電容的電荷的泄漏所引起的輸出電壓的變化率。出電壓的變化率。 n為提高實(shí)際電路的精度和速度，需同時(shí)從為提高實(shí)際電路的精度和速度，需同時(shí)從元件元件和和電路電路兩方面著手解決。兩方面著手解決。6.4 采樣保持電路6.4.2 6.4.2 模擬開關(guān)模擬開關(guān)n模擬開關(guān) 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?？刂齐娐烽_關(guān)元件6.4 采樣保持電路模擬開關(guān)

27、的分類n機(jī)械觸點(diǎn)式：干簧繼電器，水銀繼電器及機(jī)械振子繼電器等。 動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)、體積大、耗蝕n電子式開關(guān)：雙極性晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光耦合器件及集成模擬開關(guān)等。 應(yīng)用廣泛6.4.2 6.4.2 模擬開關(guān)模擬開關(guān)6.4.2 6.4.2 模擬開關(guān)模擬開關(guān)6.4 采樣保持電路模擬開關(guān)的性能參數(shù)n靜態(tài)特性：主要指開關(guān)導(dǎo)通和斷開時(shí)輸入端與輸出端之間的電阻Ron和Roff , 此外還有最大開關(guān)電壓、最大開關(guān)電流和驅(qū)動(dòng)功耗等。n動(dòng)態(tài)特性：開關(guān)動(dòng)作延遲時(shí)間，包括開關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間Ton和開關(guān)截止延遲時(shí)間Toff , 理想模擬開關(guān)時(shí)Ton0，Toff0數(shù)字開關(guān)主要要求動(dòng)態(tài)特性6.4 采樣保持電路6.4.2 6.4.

28、2 模擬開關(guān)模擬開關(guān)SBDGuiuoucRonuiO優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：Roff1013 （一）N溝道增強(qiáng)型MOSFET開關(guān)電路 不足：不足：Ron隨隨ui增大而增大增大而增大 TciTicUuuUuu)(0TGSUu0模擬開關(guān)iD / mA10 A0UTuGS / VUGS UT0截止區(qū)iD / mA可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)UDS UGS UT軌跡uDS / V(a) 轉(zhuǎn)移特性(b) 輸出特性N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線（二）CMOS開關(guān)電路 6.4 采樣保持電路6.4.2 6.4.2 模擬開關(guān)模擬開關(guān)b）Ron- ui特性RonRon(C)Ron(N)Ron(P)

29、uiOuGPuiuouGN+E-Ea）CMOS開關(guān)將將P溝道與溝道與N溝道溝道MOSFET并聯(lián)并聯(lián) 兩管互補(bǔ)，等效電阻基本恒定，與輸入模擬信號(hào)無關(guān)。經(jīng)實(shí)測(cè)，Ron的波動(dòng)范圍約為 100350集成模擬開關(guān) 集成模擬開關(guān)廣泛地使用于程控放大器、尋址式采樣/保持電路、程控頻率振蕩器、數(shù)字濾波器等電子技術(shù)中。 uc ui +E 圖 6- 6 含輔助電路的 CMOS 開關(guān)電路uo -E D2 DG1 1 1 V3 V4 V3 V4 1 1 DG2 uc -E V2 V1 V5 +E （三）模擬多路開關(guān)電路 6.4 采樣保持電路6.4.2 6.4.2 模擬開關(guān)模擬開關(guān)輸出/輸入ABC+E01234567輸

30、入/輸出-E11-E2邏輯電平轉(zhuǎn)換電路8選1譯碼電路13141512152416111096873INH S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8巡回采樣：8路輸入、1路輸出 1路輸入、8路輸出 選用泄漏電阻大和介質(zhì)吸附效應(yīng)小的電容器，如聚苯乙烯，鉭電容和聚碳酸脂電容器等。 電容器采用一定的絕緣介質(zhì)，介質(zhì)有一定泄漏電阻6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲(chǔ)電容存儲(chǔ)電容 Cn電容器的吸附效應(yīng) 電容器極板間的介質(zhì)極化不可能瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)，電容器介質(zhì)的偶極子及其界面極化的形成和消失，都需要一定的時(shí)間，從而使得電容器在充放電過程結(jié)束時(shí)，電容電壓會(huì)有程度不等的下降或上升，在經(jīng)過一定的時(shí)間后趨于平衡。 6.

31、4 采樣保持電路6.4.3 存儲(chǔ)電容存儲(chǔ)電容 C+6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲(chǔ)電容存儲(chǔ)電容 n充電過程中的電容器吸附效應(yīng)010CUCUC C0R0R1C1i1i2i3C0R0R1C1i1i2i3C0R0R1C1Si1i2i3a) 充電開始充電開始S閉合閉合b) 充電結(jié)束充電結(jié)束S斷開后斷開后c) 充電結(jié)束達(dá)到平衡充電結(jié)束達(dá)到平衡SS快快慢慢向向C1放電放電泄漏泄漏介質(zhì)內(nèi)部介質(zhì)內(nèi)部6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲(chǔ)電容存儲(chǔ)電容 n放電過程中的電容器的吸附效應(yīng)C0R0R1C1i1i2i3a) 放電開始放電開始S閉合閉合RLb) 放電結(jié)束放電結(jié)束S斷開后斷開后C0R0R1C1i1i2i3R

32、LSSc) 放電結(jié)束達(dá)到平衡放電結(jié)束達(dá)到平衡C0R0R1C1i1i2i3RLS快快慢慢向向C0放電放電泄漏泄漏010CUCUCn電容值選擇電容值選擇電容小：充電快、放電也快，不利于保持電容小：充電快、放電也快，不利于保持電容大：充電慢、放電也慢，不利于跟蹤電容大：充電慢、放電也慢，不利于跟蹤根據(jù)信號(hào)頻譜選擇根據(jù)信號(hào)頻譜選擇6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲(chǔ)電容存儲(chǔ)電容 總結(jié) 從元件方面來看，提高精度的重要措施是 減小各種漏電流和偏置電流，選用介質(zhì)吸附效應(yīng)小的電容器，減小開關(guān)導(dǎo)通電阻等的影響。提高工作速度的措施是提高開關(guān)速度，減小開關(guān)極間電容的影響，選用上升速率和輸出電流大的運(yùn)算放大器。精度提

33、高的方法（電路）（1）模擬開關(guān)漏電流的旁路）模擬開關(guān)漏電流的旁路（2 2）存儲(chǔ)電容：要選用介質(zhì)吸附效應(yīng)）存儲(chǔ)電容：要選用介質(zhì)吸附效應(yīng)小的和泄漏電阻大的電容。小的和泄漏電阻大的電容。 （3）運(yùn)算放大器：選用輸入偏置電流小、）運(yùn)算放大器：選用輸入偏置電流小、帶寬寬及轉(zhuǎn)換速率（上升速率）大的運(yùn)算放帶寬寬及轉(zhuǎn)換速率（上升速率）大的運(yùn)算放大器；輸入運(yùn)放還應(yīng)具有大的輸出電流。大器；輸入運(yùn)放還應(yīng)具有大的輸出電流。 精度提高的方法（電路）（1）模擬開關(guān)漏電流的旁路 Uc - + + N R -E V1 ui C uoV 精度提高的方法（電路）（2）電容校正方法 uo ui C V Uc VD1 VD2 V1

34、- + + N2 - + + N1 R1 C1 R3 R2 V2 C uo - + + N2 - + + N1 ui C1 Ron2 Ron b) C uo - + + N2 - + + N1 ui R1 C1 Ron1 采用電容補(bǔ)償?shù)霓k法，精采用電容補(bǔ)償?shù)霓k法，精度大概可以提高一個(gè)數(shù)量度大概可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。級(jí)。精度提高的方法（電路）（2）電容校正方法的矛盾 精度 速度 C uo - + + N2 - + + N1 ui C1 Ron2 Ron b) 提高速度的方法（電路）減少反饋回路中的時(shí)間常數(shù)數(shù)目來提高速度 - + + N1 - + + N2 Uc uo C ui V1 R1 R2 V

35、 V2 VD1 VD2 6.4 采樣保持電路6.4.5 應(yīng)用電路舉例應(yīng)用電路舉例 & 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 / /# 模擬量輸入模擬量輸入 狀態(tài)狀態(tài) AD571 偏移調(diào)節(jié)偏移調(diào)節(jié) C +5VAD582 uo ui - - + + + + N1 - - + + + + N2 Uc S DG # # 6.4 采樣保持電路6.4.5 應(yīng)用電路舉例應(yīng)用電路舉例 & 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 / /# 模擬量輸入模擬量輸入 狀態(tài)狀態(tài) AD571 偏移調(diào)節(jié)偏移調(diào)節(jié) C +5VAD582 uoui - - +

36、+ + + N1 - - + + + + N2Uc S DG # # 6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路 傳感器輸出的信號(hào)多為模擬信號(hào)，在以微型計(jì)算機(jī)為核心組成的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)中，必須將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，為此要使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC）。相反，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后的信號(hào)常需反饋給模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，需要數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC）將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)。6.5.1 量值的數(shù)碼表示（一）二進(jìn)制碼n在數(shù)字技術(shù)中，量值常用數(shù)碼表示。由于二進(jìn)制器件容易制作、工作可靠，量值常用二進(jìn)制數(shù)碼表示。6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路)222(2211RinRonndddUDUUnn

37、niiUUUUU22112RRR1RFUR 基準(zhǔn)量值；基準(zhǔn)量值；2-i 相應(yīng)數(shù)碼位的加權(quán)值。相應(yīng)數(shù)碼位的加權(quán)值。 12o1in112(222 )nnUU DU ddd6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.1 量值的數(shù)碼表示U1 LSB（最低有效位）量值；（最低有效位）量值；2i 相應(yīng)數(shù)碼位的加權(quán)值。相應(yīng)數(shù)碼位的加權(quán)值。 （一）二進(jìn)制碼6.5.1 量值的數(shù)碼表示n主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率 發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)，所對(duì)應(yīng)模擬量的相對(duì)于基準(zhǔn)量的變化。（2） 量化：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LSB的整數(shù)倍數(shù)值的過程稱為量化。（3）量化誤差 通過量化將連續(xù)量轉(zhuǎn)換成離散量所產(chǎn)生的誤差稱為叫

38、做量化誤差，在采用四舍五入時(shí)最大誤差可達(dá)到1LSB的 1/2，不采用時(shí)它等于1LSB 。 6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.1 6.5.1 量值的數(shù)碼表示量值的數(shù)碼表示a) 采樣采樣b) 量化量化 f(t) t F8F6F5F4F3F2F10 1 2 3 45 6 7 F7 f1(t) t 0 12 3 4 5 6 7 011 101 111 111 110 100 011 101 對(duì)應(yīng)編碼對(duì)應(yīng)編碼 1F2F3F4F5F6F7F8Fn主要技術(shù)指標(biāo)（4）建立時(shí)間 輸入數(shù)字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到相應(yīng)數(shù)值范圍所需的時(shí)間，是描述D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的一個(gè)重要參數(shù)。（5）轉(zhuǎn)換誤差

39、 給定數(shù)字代碼時(shí)測(cè)得的實(shí)際模擬輸出量和對(duì)應(yīng)這個(gè)輸入代碼的理論模擬輸出量之差。非線性誤差、增益誤差、失調(diào)誤差等直接影響 。 6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.1 量值的數(shù)碼表示6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.2 D/A轉(zhuǎn)換電路（一）加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電路 niiiiniidRUdRUI1R11 -Ro222R1URUoS2d2dnSn2R4R2n-1RS3d3S1d1R- -+ + +NI1I2I3InIoA電阻值差別太大 R1oo1122niiiU RUI RdR 不好制作、不好集成 6.5.2 D/A轉(zhuǎn)換電路（二）（二）T形R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)電路 6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路（1）Ai向右看電阻均為R；（

40、2）Ai向右看電流平分12R11oo112nRi12222nniiU RRUI RdddUdRR URRS1S2S3RA1d1d2d3(MSB)2RI4RI2RI2R2R2RUoRdn-1dn(LSB)1R2nInI2R1R2nI2R2R2RIoSn-1SnR1A2A3An-1An1010101010- -+ + +NR4I8RInI2R6.5.3 A/D轉(zhuǎn)換電路(一）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器 6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路# #- -1 1+1+1電子電子開關(guān)開關(guān)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器控制邏輯控制邏輯數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘RCUiUR- -URUC- -+ + +NUCUi1Ui2T1tO2T2T-UR-UR(1）Ui在T1內(nèi)定時(shí)充電 1iavT0i1C1d1)(1TURCtURCTU6.5 6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.3 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路01)(d1)(2R1CT0R1C