第6章 信號轉換電路-《測控電路(第4版)》張國雄

1、測量與控制電路 測控電路測控電路教材編寫組2022-2-9電壓比較電路：模擬-開關信號的轉換 電壓電流轉換電路電壓頻率轉換電路采樣保持電路6. 信號轉換電路模擬數(shù)字轉換電路 測量與控制電路32022-2-96.1 電壓比較電路 6.1.1 電平比較電路 （一）差動比較電路-1-1+1+1# #uiUoURuiURa）電壓比較器符號）電壓比較器符號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-開關信號轉換器。一種將電壓信號離散化電路 測量與控制電路42022-2-96.1 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：閾值可變 缺點：振鈴現(xiàn)象12RRUU

2、R -+uiUoUR1R2RURuiun電平比較器的“振鈴”現(xiàn)象Uo 測量與控制電路52022-2-96.1 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uiUoU1OU2-1-1+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算放大器，以提高轉換速率，消除振鈴現(xiàn)象，可以通過鉗位以獲得所需電平開關信號 測量與控制電路72022-2-9

3、6.1 電壓比較電路 6.1.3 窗口比較電路 單方向多個閾值ui“1”“0”O(jiān) UUR2UR1Uo-1-1+1+1# # & &-1-1+1+1# #uiVSR1RPR2Uo1Uo2UoUZN2N1UR2UR1E6.2.1 電流/電壓轉換電路6.2 電壓電流轉換電路R1- -+ + +NuoR2Rsisi（一）反相輸入型sii 1s1oRiiRu要求電流源is的內阻Rs必須很大， is需遠大于運算放大器偏置電流6.2 電壓電流轉換電路6.2.1 電流/電壓轉換電路（二）同相輸入型R2- -+ + +NuoR1R3R4iui321o1RRiRu6.2 電壓電流轉換電路6.2.2

4、 電壓/電流轉換電路ioLo311N2RiRRRui313N1uRRRu)(7Lo422P1RRiRRRub422P2URRRubi724oUuRRRiR4R7+RL R4- -+ + +NV2R5R1R3V1R2R6R7uNuPuiUb+ER1=R2，R3=R4 RLn要求：（1）輸出電流只與輸入電壓有關，與負載基本無關；（2）能夠輸出所需較大電流。6.2 電壓電流轉換電路6.2.2 電壓/電流轉換電路RLuiio輸出電流不僅與輸入電壓有關，而且與負載有關不能輸出所需較大電路ioRLuiRRRL 測量與控制電路122022-2-96.3 電壓頻率轉換電路6.3.1 V/f 轉換電路定義：V/

5、f (電壓/頻率)轉換器能把輸入信號電壓轉換成相應的頻率信號，即它的輸出信號頻率與輸入信號電壓值成比例，故又稱為電壓控制(壓控)振蕩器(VCO)。應用：在調頻（電壓調頻），鎖相和A/D變換等許多技術領域得到非常廣泛的應用。指標：額定工作頻率和動態(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 電壓頻率轉換電路6.3.1 V/f 轉換電路(一）積分復原型 ui越高uC越快達到uP電平，比較器翻轉越快V- -+ + +N2- -ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo- -U比較器比較器復原開關復原開關- -+ + +N1R2uiR1C積分器積分器 測量與控制

6、電路142022-2-96.3 電壓頻率轉換電路(一）積分復原型 6.3.1 V/f 轉換電路OU1U2uoT1T2tuCU2U1ttOOuP761Z6767RRUUURRRR 762Z6767RRUUURRRR iuUUCRT211121TTi2110)(11uUUCRTfV-+N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比較器比較器復原開關復原開關-+N1R2uiR1C積分器積分器 測量與控制電路152022-2-9(二）電荷平衡型6.3 電壓頻率轉換電路6.3.1 V/f 轉換電路uo11itQ 0s01QIi tQ 0s11 tiItRtIuitIttf0si

7、0s1011uot1tuCtOOt0- -+ + +N1- -+ + +N2SuiRIS單穩(wěn)單穩(wěn)定時器定時器uCiURC（1）線性好；（）線性好；（2）易于集成）易于集成n許多頻率解調電路都屬于f/V 轉換電路6.3 電壓頻率轉換電路6.3.2 f/V轉換電路uo單穩(wěn)態(tài)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器 低通低通濾波器濾波器uiUs 測量與控制電路172022-2-96.3.1 f/V轉換電路集成f/V轉換器6.3 電壓頻率轉換電路無信號輸入： U10， U20保持Q=0，S1接地， V2導通uo RS 觸發(fā)器觸發(fā)器- -+ +輸入輸入比較器比較器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U- -+

8、+定時定時比較器比較器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U- -U7S1S1V1QQui前沿負脈沖： 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 電壓頻率轉換電路6.3.1 f/V轉換電路集成f/V轉換器每輸入一個脈沖，is對CL充電一次充電時間等于Ct電壓uCt從零上升到U- =2U/3所需時間 tttt11 . 13lnCRCRt1Ss 1s1.9tQI tRsoRLiiLuQi TTQR1LLottiiss1.92.09t RRuRC fTRR RS 觸發(fā)器觸發(fā)器- -

9、+ +輸入輸入比較器比較器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U- -+ +定時定時比較器比較器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U- -U7S1uoS1V1QQ- /(1 e)t TUU 數(shù)字信號具有抗干擾能力強，便于傳輸、長期存儲、分辨率高、能進行復雜的運算等優(yōu)點。為了將模擬信號轉換成數(shù)字，首先要進行采樣。這種電路用于一切需要對輸入信號瞬時采樣和存儲的場合，如自動補償直流放大器的失調和漂移等，最常見的是應用于快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以保持輸入信號在采樣過程中不變。當系統(tǒng)有多個模擬信號時，為了采得各通道同一時刻的信息時，則需用多個采樣保持器進行同時采樣。 采樣保持電路是一種時

10、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（2）模擬信號存儲電容（3）緩沖放大器 uoa）S/H電路原理電路原理b）模擬信號采樣）模擬信號采樣tTs- -+ + +N1- -+ + +uiSUCCtuof(t)OOui, uoUC6.4 采樣保持電路n對采樣保持電路的對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為提高實際電路的為提高實際電路的精度和速度，需同精度和速度，需同時從時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 6.4.

11、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、漂移漂移導通電阻、導通電阻、截止截止電阻、電阻、延遲時間延遲時間漏電流漏電流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：采樣保持電路的主要性能指標：捕捉時間捕捉時間：從發(fā)出采樣指令的時刻起，到輸出值達：從發(fā)出采樣指令的時刻起，到輸出值達到規(guī)定的誤差范圍以內所需的時間。跟蹤性能的到規(guī)定的誤差范圍以內所需的時間。跟蹤性能的標志。標志?？讖綍r間孔徑時間：指從發(fā)出保持指令的時刻

12、起，到開關真：指從發(fā)出保持指令的時刻起，到開關真正斷開所需的時間。正斷開所需的時間。 切斷能力的標志。切斷能力的標志。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為提高實際電路的精度和速度，需同時從為提高實際電路的精度和速度，需同時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 模擬開關模擬開關n模擬開關 模擬開關是一種在數(shù)字信號控制下將模擬信號接通或斷開的元件或電路。該開關由開關元件和控制（驅動）電路兩部分組成?？刂齐娐烽_關元件6.4 采樣保持電路模擬開關的分類n

13、機械觸點式：干簧繼電器，水銀繼電器及機械振子繼電器等。 動作時間長、體積大、耗蝕n電子式開關：雙極性晶體管、場效應晶體管、光耦合器件及集成模擬開關等。 應用廣泛6.4.2 6.4.2 模擬開關模擬開關6.4.2 6.4.2 模擬開關模擬開關6.4 采樣保持電路模擬開關的性能參數(shù)n靜態(tài)特性：主要指開關導通和斷開時輸入端與輸出端之間的電阻Ron和Roff , 此外還有最大開關電壓、最大開關電流和驅動功耗等。n動態(tài)特性：開關動作延遲時間，包括開關導通延遲時間Ton和開關截止延遲時間Toff , 理想模擬開關時Ton0，Toff0數(shù)字開關主要要求動態(tài)特性6.4 采樣保持電路6.4.2 6.4.2 模擬

14、開關模擬開關SBDGuiuoucRonuiO優(yōu)點：優(yōu)點：Roff1013 （一）N溝道增強型MOSFET開關電路 不足：不足：Ron隨隨ui增大而增大增大而增大 （二）CMOS開關電路 6.4 采樣保持電路6.4.2 6.4.2 模擬開關模擬開關b）Ron- ui特性RonRon(C)Ron(N)Ron(P)uiOuGPuiuouGN+E-Ea）CMOS開關將將P溝道與溝道與N溝道溝道MOSFET并聯(lián)并聯(lián)（三）模擬多路開關電路 6.4 采樣保持電路6.4.2 6.4.2 模擬開關模擬開關輸出/輸入ABC+E01234567輸入/輸出-E11-E2邏輯電平轉換電路8選1譯碼電路131415121

15、52416111096873INH 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吸附效應小的電容器，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，介質有一定泄漏電阻6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲電容存儲電容 Cn電容器的吸附效應 電容器極板間的介質極化不可能瞬時實現(xiàn)，電容器介質的偶極子及其界面極化的形成和消失，都需要一定的時間，從而使得電容器在充放電過程結束時，電容電壓會有程度不等的下降或上升，在經(jīng)過一定的時間后趨于平衡。 6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲電容存儲電容 C+6.4 采樣保持電路

16、6.4.3 存儲電容存儲電容 n充電過程中的電容器吸附效應010CUCUC C0R0R1C1i1i2i3C0R0R1C1i1i2i3C0R0R1C1Si1i2i3a) 充電開始充電開始S閉合閉合b) 充電結束充電結束S斷開后斷開后c) 充電結束達到平衡充電結束達到平衡SS快快慢慢向向C1放電放電泄漏泄漏介質內部介質內部6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲電容存儲電容 n放電過程中的電容器的吸附效應C0R0R1C1i1i2i3a) 放電開始放電開始S閉合閉合RLb) 放電結束放電結束S斷開后斷開后C0R0R1C1i1i2i3RLSSc) 放電結束達到平衡放電結束達到平衡C0R0R1C1i1i2i

17、3RLS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?。撼潆娍?、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)信號頻譜選擇根據(jù)信號頻譜選擇6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲電容存儲電容 6.4 采樣保持電路6.4.5 應用電路舉例應用電路舉例 & 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 偏移調節(jié)偏移調節(jié) C +5VAD582 uo ui - - + + + + N1 - - + + + +

18、N2 Uc S DG # # 6.4 采樣保持電路6.4.5 應用電路舉例應用電路舉例 & 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 偏移調節(jié)偏移調節(jié) C +5VAD582 uoui - - + + + + N1 - - + + + + N2Uc S DG # # 6.5 模擬數(shù)字轉換電路 傳感器輸出的信號多為模擬信號，在以微型計算機為核心組成的數(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轉換成數(shù)字信號，為此要使用模/數(shù)轉換器（簡稱A/D轉換器或ADC）。相反，經(jīng)計算機處理后的信號常需反饋給模擬執(zhí)行機構等，

19、需要數(shù)/模轉換器（簡稱D/A轉換器或DAC）將數(shù)字量轉換成相應的模擬信號。6.5.1 量值的數(shù)碼表示（一）二進制碼n在數(shù)字技術中，量值常用數(shù)碼表示。由于二進制器件容易制作、工作可靠，量值常用二進制數(shù)碼表示。6.5 模擬數(shù)字轉換電路)222(2211RinRonndddUDUUnnniiUUUUU22112RRR1RFUR 基準量值；基準量值；2-i 相應數(shù)碼位的加權值。相應數(shù)碼位的加權值。 12o1in112(222 )nnUU DU ddd6.5 模擬數(shù)字轉換電路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 相應數(shù)碼位的加權值。相應數(shù)碼位的加權值。 （一

20、）二進制碼6.5.1 量值的數(shù)碼表示n主要技術指標（1）分辨率 發(fā)生單位數(shù)碼變化時，所對應模擬量的相對于基準量的變化。（2） 量化：將幅度連續(xù)取值的模擬信號變?yōu)橹荒苋∮邢迋€某一最小當量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)量轉換成離散量所產(chǎn)生的誤差稱為叫做量化誤差，在采用四舍五入時最大誤差可達到1LSB的 1/2，不采用時它等于1LSB 。 6.5 模擬數(shù)字轉換電路6.5 模擬數(shù)字轉換電路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 1

21、2 3 4 5 6 7 011 101 111 111 110 100 011 101 對應編碼對應編碼 1F2F3F4F5F6F7F8Fn主要技術指標（4）建立時間 輸入數(shù)字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到相應數(shù)值范圍所需的時間，是描述D/A轉換速率快慢的一個重要參數(shù)。（5）轉換誤差 給定數(shù)字代碼時測得的實際模擬輸出量和對應這個輸入代碼的理論模擬輸出量之差。非線性誤差、增益誤差、失調誤差等直接影響 。 6.5 模擬數(shù)字轉換電路6.5.1 量值的數(shù)碼表示6.5 模擬數(shù)字轉換電路6.5.2 D/A轉換電路（一）加權電阻網(wǎng)絡電路 niiiiniidRUdRUI1R11 -Ro222R1URUoS2d2d

22、nSn2R4R2n-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轉換電路（二）（二）T形R-2R電阻網(wǎng)絡電路 6.5 模擬數(shù)字轉換電路（1）Ai向右看電阻均為R；（2）Ai向右看電流平分12R11oo112nRi12222nniiU RRUI RdddUdRR URRS1S2S3RA1d1d2d3(MSB)2RI4RI2RI2R2R2RUoRdn-1dn(LSB)1R2nInI2R1R2nI2R2R2RIoSn-1SnR1A2A3An-1An1010101010- -+ + +N

23、R4I8RInI2R6.5.3 A/D轉換電路(一）雙積分式A/D轉換器 6.5 模擬數(shù)字轉換電路# #- -1 1+1+1電子電子開關開關計數(shù)器計數(shù)器控制邏輯控制邏輯數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出標準時鐘標準時鐘RCUiUR- -URUC- -+ + +NUCUi1Ui2T1tO2T2T-UR-UR(1）Ui在T1內定時充電 1iavT0i1C1d1)(1TURCtURCTU6.5 6.5 模擬數(shù)字轉換電路模擬數(shù)字轉換電路6.5.3 A/D轉換電路轉換電路01)(d1)(2R1CT0R1C2C2TURCTUtURCTUTUiavR12UUTT iavR12UUNN ( (一）一）雙積分式雙積分式A/D轉換

24、器轉換器 (2(2）根據(jù)）根據(jù)UC( (T1) )極性選擇極性選擇UR或或- -UR反向反向充電至零電位充電至零電位 (3(3）根據(jù)）根據(jù)反向反向充電時間充電時間T2確定確定Ui?？垢蓴_性能好，速度慢?？垢蓴_性能好，速度慢。6.5 模擬數(shù)字轉換電路6.5.3 A/D轉換電路(二）逐次逼近式 A/D轉換器 iSUU比較器比較器D/A轉換器轉換器 逐次逼近逐次逼近 寄寄 存存 器器邏輯控制邏輯控制電電 路路輸出緩沖器輸出緩沖器輸出允許輸出允許轉換結束轉換結束啟啟動動 時鐘時鐘UiUsDn-1D0最高位開始逐位置“1” ，該位置“0” ，該位保留“1”iSUU6.5 模擬數(shù)字轉換電路6.5.3 A/D轉換電路5位位A/D轉換，滿量程轉換，滿量程31V, 輸入電壓輸入電壓Ui= 14.7V(二）逐次逼近式 A/D轉換器 次數(shù)次數(shù)比較前碼比較前碼 代表電壓代表電壓Us比較結果比較結果比較后碼比較后碼11000016ViSUU000006.5 模擬數(shù)字轉換電路6.5.3 A/D轉換電路5位位A/D轉換，滿量程轉換，滿量程31V, 輸