信號(hào)采集原理課件

1、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 基本性質(zhì) ）為發(fā)出保持命令的時(shí)刻保持期(t0 00tutuuii采樣期捕捉時(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。限制了電路的工作速度。采樣保持電路的基本性質(zhì)組成：模擬開關(guān)模擬信號(hào)存儲(chǔ)電容1. 緩沖放

2、大器 S Uc uo ui C - + + N1 - + + N2 a) O t Ts ui ,uo O t uo f(t) fs(t) f O fmin fmax a) F(f) b) E0 E1 E2 O fs 2fs f Fs(f) O fmin fmax fs- fmax fs+ fmax fs 2 fs f F(f)* Fs(f) fsfminfsfmin 對(duì)采樣保持電路的主要要求： 精度和速度為提高實(shí)際電路的精度和速度，可從元件和電路兩方面著手解決。 輸入輸出緩沖器 S Uc uo ui C - + + N1 - + + N2 特別需注意的參數(shù)：輸入偏置電流以及帶寬，上升速率和最大

3、輸出電流等性能參數(shù)。 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 模擬開關(guān)的分類 按切換的對(duì)象分：電壓和電流開關(guān) 電壓模擬開關(guān)的特點(diǎn)是：當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，跨于它兩端的電壓總與被換接的電壓Vx有關(guān)，而且通過開關(guān)的電流則與負(fù)載RL有關(guān)。 電流模擬開關(guān)的特點(diǎn)是：不管負(fù)載電阻RL的大小如何，流過開關(guān)的電流總是和被換接的電流Ix相等，而且換接的電壓則由RL*Ix決定。 模擬開關(guān)的分類（電壓和電流開關(guān)） 模擬開關(guān)的分類（電壓和電流開關(guān)） 模擬開關(guān)的分類 按切換的對(duì)象使用的元件：機(jī)械觸點(diǎn)式和電子式開關(guān) 機(jī)械觸點(diǎn)式：干簧

4、繼電器，水銀繼電器及機(jī)械振子繼 電器等。 電子式開關(guān)：二極管、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。 模擬開關(guān)的性能參數(shù) 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。 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, 通常TonToff, 理想模擬開關(guān)時(shí)Ton0，Toff0 模擬開關(guān)的性能參數(shù) 為了得到高質(zhì)量的采樣保持電路，場(chǎng)效應(yīng)模擬開關(guān)的速度應(yīng)快，極間電容，夾斷電壓或開啟電壓，導(dǎo)通電阻和反向漏電流等參數(shù)都應(yīng)小。 增強(qiáng)型MOSFET開關(guān)電路（絕緣柵型） D B S

5、G ui uo uc i b) S B D G ui uo uc i a) ui o Ron O ui CMOS開關(guān)電路 ui uo uGP uGN +E -E ui o Ron Ron(C) Ron(N) Ron(P) ui O a) b) CMOS開關(guān)電路 uc ui +E 圖 6-6 含 輔 助 電 路 的 CM O S 開 關(guān) 電 路 uo -E D2 DG 1 1 1 V3 V4 V3 V4 1 1 DG 2 uc -E V2 V1 V5 +E 0 2 3 5 6 7 輸入/輸出 A B C 輸出/輸入 +E -E1 -E2 邏輯電平轉(zhuǎn)換電路 8選1譯碼電路 13 14 15 12

6、1 5 2 4 16 11 10 9 6 8 7 INH S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 圖 6-7 CD4051 原理圖 1 4 存儲(chǔ)電容 選用介質(zhì)吸附效應(yīng)小和泄漏電阻大的電容器，如聚苯乙烯，鉭電容和聚碳酸脂電容器等。(原因：當(dāng)電路從采樣轉(zhuǎn)到保持，介質(zhì)的吸附效應(yīng)會(huì)使電容器上的電壓下降，被保持的電壓低于采樣轉(zhuǎn)保持瞬間的輸入電壓，峰值檢波器復(fù)位時(shí)，電容放電，介質(zhì)吸附效應(yīng)會(huì)使放電后的電容電壓回升，引起小信號(hào)峰值的檢波誤差。電容器的泄漏電阻引起電容上的保持電壓隨時(shí)間逐漸減小，降低保持精度）在實(shí)際電容器中，電容器介質(zhì)的偶極子及其界面極化的形成和消失都不可能瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)，往往需要一定的時(shí)間，

7、因而使電介質(zhì)常數(shù)隨信號(hào)頻率和環(huán)境溫度變化，不能似為常數(shù)實(shí)際電容器的仿真模型如右圖所示，圖中C為理想電容值，R0為電容器的泄漏電阻，其余的阻容網(wǎng)絡(luò)為則為介質(zhì)吸附效應(yīng)的仿真。1實(shí)驗(yàn)分析表明，阻容電路的時(shí)間常數(shù)相差很大，可從幾十毫秒到幾十秒。（1）T充電時(shí)間MAX(T阻容電路) 切斷充電 （2）T充電時(shí)間MAX(T阻容電路) 切斷電源將電容器短路，且 T短路時(shí)間（35）MAX(T阻容電路). 1 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

8、放大器。（1）模擬開關(guān)漏電流的旁路 Uc - + + N R -E V1 ui C uo V （2）電容校正方法 uo ui C V Uc VD1 VD2 V1 - + + N2 - + + N1 R1 C1 R3 R2 V2 C uo - + + N2 - + + N1 ui C1 Ron2 Ron b) C uo - + + N2 - + + N1 ui R1 C1 Ron1 （2）電容校正方法的矛盾 精度 速度 C uo - + + N2 - + + N1 ui C1 Ron2 Ron b) 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

9、 V1 R1 R2 V V2 VD1 VD2 & 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ? / /# 模擬量輸入 狀態(tài) AD571 偏移調(diào)節(jié) C +5V AD582 uo ui - + + N1 - + + N2 Uc S DG # 模擬開關(guān)：要求模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻小，漏電流小，極間電容小和切換速度快。 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。 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)算放大器；輸入運(yùn)放還應(yīng)具有大的輸出電流 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

10、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。 一 電平比較電路（單閾值比較器） （a）差動(dòng)比較電路 -1 +1 # ui Uo UR uiUR a) b) 圖 6-12 電壓比較器及其特性 一 電平比較電路 （b）求和比較電路（閾值可變） 優(yōu)點(diǎn)：閾值可變

11、 缺點(diǎn)：振零現(xiàn)象 a) - + + ui Uo U R1 R2 R UR ui un M N P Q Uo VRRVR21 二 滯回比較電路（正反饋閾值） 兩個(gè)閾值： a) b) ui Uo U1 O U2 -1 +1 # ui Uo UR R R2 R1 單方向單閾值 三 窗口比較電路 -1 +1 # & -1 +1 # ui VS E R1 RP R2 Uo1 Uo2 Uo UZ N2 N1 UR2 UR1 “1” “0” O U UR2 UR1 ui Uo 單方向多個(gè)閾值 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

12、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 -U V - + + N1 - + + N2 R2 -E ui R1 R3 C R4 R5 R6 R7 R8 R9 uC uP VS1 VS2 VS3 uo 積分復(fù)原型 組成：積分器、比較器和積分復(fù)原開關(guān)等 O U1 U2 uT uo T1 T2 t uC U2 U1 t t O O uP 電荷平衡型A1A2定時(shí)電路CFRfusc1usc2Ij-EIfI1D1D2-Emusc3 電荷平衡

13、型Ifusc 1usc 2usc 30000I10Emttttt Ij Em 集成V/F轉(zhuǎn)換器 CL 精 密電流源 電 流開 關(guān) RS 觸發(fā)器 基 準(zhǔn)電 源 - + 基準(zhǔn)比較器 - + 輸入比較器 - + 定時(shí)比較器 R Rt Ct iS RS 4 5 6 7 8 1 2 3 偏流 S R Q 復(fù)位 輸出保護(hù) 驅(qū)動(dòng) 定時(shí) 域值 比較輸入 +U 1.9V 電流輸出 基準(zhǔn)電壓 頻率輸出 Q2R RL V uo -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 集成V/F轉(zhuǎn)換器

14、 b) 約 10mV O O T to t t u6 ui uo 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 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） 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)

15、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)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)。 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)，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、低電平去控制某個(gè)電路定時(shí)工作。 3. 用于延時(shí)利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)期間輸出的高電平去控制與門的開 3. 延時(shí)：在一個(gè)脈沖信號(hào)到達(dá)后，延遲一段時(shí)間再

16、產(chǎn)生一個(gè)脈沖，以控制兩個(gè)相繼進(jìn)行的操作。 延時(shí) 脈沖形成集成f/V轉(zhuǎn)換器 圖6-20 LM131用作f/V轉(zhuǎn)換電路原理圖 +U RS 觸發(fā)器 - + 輸入比較器 ui Rt Ct RLiSiS CL RS 4 5 6 7 8 1 2 3 S R Q - + 定時(shí)比較器 Rd Cd R1 R2 R 2R V u6 U1 U2 u5 U- U7 S uo Q 穩(wěn)態(tài)：Q=0暫穩(wěn)態(tài)：Q=1暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間由Rt, Ct充電時(shí)間決定。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，IS對(duì)RL,CL充電理解定義和內(nèi)容1 分辨率：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

17、率。通常用LSB（Least Significant Bit)表示。理解定義和內(nèi)容2 量化和量化誤差：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。理解定義和內(nèi)容2 量化和量化誤差： a) f(t) t F8 F6 F5 F4 F3 F2 F1 0 1 2 3 4 5 6 7 F7 O b) f1(t) t 0 1 2 3 4 5 6 7 011 101 111 111 110 100 011 101 對(duì)應(yīng)編碼 1F2F3F4F5F6F7F8F

18、理解定義和內(nèi)容3 精度：理想的ADC是指不含量化誤差以外的誤差，但實(shí)際上由于使用的元件和噪聲等產(chǎn)生各種誤差。精度是表示所含誤差的比例，用刻度的百分比或PPM表示。精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理1 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器 # -1 +1 電 子開關(guān) 計(jì)數(shù)器 控制邏輯 數(shù)據(jù)輸出 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘 R C Ui UR -UR UC - + + N b) UC Ui1 Ui2 T1 t O 2T 2TA/D轉(zhuǎn)換器的基本原理2 逐次逼進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器 比較器 D/A 轉(zhuǎn)換器 逐次逼近 寄 存 器 邏輯控制 電 路 輸出緩沖器 輸出允許 轉(zhuǎn)換結(jié)束 啟動(dòng) 時(shí)鐘 Ui US Dn-1 D0 A/D轉(zhuǎn)

19、換器的基本原理3 并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器 -1 +1 # N1 -1 +1 # -1 +1 # N2 N3 1 & 1 Ui d1 d0 3UR/4 UR/2 UR/4 集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809 a) 8 路 模擬 開關(guān) IN7 8 路模擬量輸入 地址 鎖存 與 譯碼 ADDA ADDB ADDC ALE 3 位 地址線 地址鎖存允許 -1 +1 SAR 控制邏輯與時(shí)序 啟動(dòng) START CLK EOC 轉(zhuǎn)換結(jié)束 8 位數(shù)據(jù)輸出 三態(tài)輸 出鎖存 緩沖器 D0 D7 OE 輸出允許 REF(+) REF(-) 開關(guān)樹 GND UCC # IN0 WR 集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809 b) START GND 四分頻 P0.7 P0.0 P0.1 P0.2 ui7 ui0 P2.7 RDWR 0INTALE +5V ?/# ADC0809 ALE OE EOC CLK UCC REF(+) REF() D7 D0 ADDC ADDB ADDA IN7 IN0 1 1 1 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性對(duì)n位D/A轉(zhuǎn)換器 ，設(shè)其輸入是n位二進(jìn)制數(shù)字輸入信號(hào)Din (d1,dn),Din = d1x2-1+dnx2-n如果D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓位UR,則理想D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U0可表示為U0 = UR*DinD/A轉(zhuǎn)換器