張國(guó)雄版測(cè)控電路PPTChapter6-4.

1、第六章第六章 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路信號(hào)轉(zhuǎn)換電路第一節(jié)第一節(jié) 采樣保持電路采樣保持電路第二節(jié)第二節(jié) 電壓比較電路電壓比較電路第三節(jié)第三節(jié) 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路電壓頻率轉(zhuǎn)換電路第四節(jié)第四節(jié) 電壓電流轉(zhuǎn)換電路電壓電流轉(zhuǎn)換電路從信息形態(tài)變化的觀點(diǎn)將各種轉(zhuǎn)換分為三種：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)換從自然界物理量到電量的轉(zhuǎn)換 電量之間的轉(zhuǎn)換電量之間的轉(zhuǎn)換 從電量到物理量的轉(zhuǎn)換從電量到物理量的轉(zhuǎn)換l信號(hào)轉(zhuǎn)換電路信號(hào)轉(zhuǎn)換電路用于將各類型的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。用于將各類型的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。使具有不同輸入、輸出的使具有不同輸入、輸出的部件部件可以聯(lián)用可以聯(lián)用l應(yīng)考慮：應(yīng)考慮： 轉(zhuǎn)換電路應(yīng)具有線性

2、特性轉(zhuǎn)換電路應(yīng)具有線性特性 阻抗的匹配阻抗的匹配第一節(jié)第一節(jié) 采樣保持電路采樣保持電路采樣采樣/ /保持電路：保持電路：l 具有采集某一瞬間的模擬輸入信號(hào)，并保持其值的具有采集某一瞬間的模擬輸入信號(hào)，并保持其值的功能功能l 在采樣狀態(tài)下：在采樣狀態(tài)下： 電路的輸出跟蹤輸入模擬信號(hào)電路的輸出跟蹤輸入模擬信號(hào)l 在保持狀態(tài)下：在保持狀態(tài)下： 電路的輸出保持采樣結(jié)束時(shí)刻的瞬時(shí)模擬輸入電路的輸出保持采樣結(jié)束時(shí)刻的瞬時(shí)模擬輸入信號(hào)，直至進(jìn)入下一次采樣狀態(tài)為止信號(hào)，直至進(jìn)入下一次采樣狀態(tài)為止l 一般應(yīng)用：信號(hào)的采集，自動(dòng)補(bǔ)償直流放大器的失一般應(yīng)用：信號(hào)的采集，自動(dòng)補(bǔ)償直流放大器的失調(diào)和漂移。瞬態(tài)變量的測(cè)量

3、等調(diào)和漂移。瞬態(tài)變量的測(cè)量等第一節(jié)第一節(jié) 采樣保持電路采樣保持電路一、基本原理一、基本原理組成：組成：1.模擬開(kāi)關(guān)模擬開(kāi)關(guān)2.模擬信號(hào)存儲(chǔ)電容模擬信號(hào)存儲(chǔ)電容3.緩沖放大器緩沖放大器 S Uc uo ui C - + + N1 - + + N2 Uc=1，S閉合：閉合：uo=ui,輸出跟隨輸出跟隨輸入變化。并向電容輸入變化。并向電容C充充電電Uc=0，S斷開(kāi)：斷開(kāi)：uo保持?jǐn)嚅_(kāi)瞬保持?jǐn)嚅_(kāi)瞬間的輸入信號(hào)間的輸入信號(hào)第一節(jié)第一節(jié) 采樣保持電路采樣保持電路 a) O t Ts ui ,uo O t uo f(t) fs(t) 第一節(jié)第一節(jié) 采樣保持電路采樣保持電路 ）為發(fā)出保持命令的時(shí)刻保持期(t0

4、 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(lái)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關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)，電路的保持特性不好 -它們都限制了電路的工作速度它們都限制了電路的工作速度一、基本原理一、基本原理 輸入放大器輸入放大器N1： 具有優(yōu)良轉(zhuǎn)換速率和穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電容負(fù)載能力具有優(yōu)良轉(zhuǎn)換速率和穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電容負(fù)載能力 它對(duì)它對(duì)ui為高輸入阻抗，并為開(kāi)關(guān)為高輸入阻抗，并為開(kāi)關(guān)S和電容和電容C提供極低的輸

5、出電阻提供極低的輸出電阻 使電容使電容C在在S閉合時(shí)盡可能快速充電，及時(shí)跟蹤輸入閉合時(shí)盡可能快速充電，及時(shí)跟蹤輸入ui 輸出放大器輸出放大器N2，跟隨器跟隨器： 其輸入級(jí)由其輸入級(jí)由MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成，以得到極低的輸入偏置電流場(chǎng)效應(yīng)管組成，以得到極低的輸入偏置電流 它以極高的輸入電阻使電容它以極高的輸入電阻使電容C和負(fù)載隔離，實(shí)現(xiàn)保持功能和負(fù)載隔離，實(shí)現(xiàn)保持功能 為了使所采集的信號(hào)能夠正確反映輸入模擬信號(hào)，除保證采樣為了使所采集的信號(hào)能夠正確反映輸入模擬信號(hào)，除保證采樣/保持器精保持器精度要求外，還必須符合采樣定理度要求外，還必須符合采樣定理 采樣過(guò)程：采樣過(guò)程： 當(dāng)模擬信號(hào)當(dāng)模擬信號(hào)ui=f

6、(t)通過(guò)一個(gè)受采樣脈沖信號(hào)通過(guò)一個(gè)受采樣脈沖信號(hào)fs(t)控制的開(kāi)關(guān)電路時(shí)，控制的開(kāi)關(guān)電路時(shí)，開(kāi)關(guān)輸出端的信號(hào)是時(shí)間離散信號(hào)開(kāi)關(guān)輸出端的信號(hào)是時(shí)間離散信號(hào) 不難看出，采樣脈沖的重復(fù)周期不難看出，采樣脈沖的重復(fù)周期Ts愈小，采樣時(shí)間間隔愈短，獲得愈小，采樣時(shí)間間隔愈短，獲得的離散信號(hào)亦愈多的離散信號(hào)亦愈多第一節(jié)第一節(jié) 采樣保持電路采樣保持電路l第一節(jié)第一節(jié) 采樣保持電路采樣保持電路采樣定理采樣定理 采樣頻率采樣頻率fs應(yīng)大于模擬信號(hào)最高頻率應(yīng)大于模擬信號(hào)最高頻率fmax的兩倍的兩倍一、基本原理一、基本原理l 對(duì)采樣保持電路的主要要求：對(duì)采樣保持電路的主要要求：精度精度速度速度l 為提高實(shí)際電路

7、的精度和速度，可從為提高實(shí)際電路的精度和速度，可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元件性能的影響和要求元件性能的影響和要求l 輸入輸出緩沖器輸入輸出緩沖器 特別需注意的參數(shù)：特別需注意的參數(shù)：輸入偏置電流輸入偏置電流以以及及帶寬帶寬，上升速率上升速率和和最大輸出電流最大輸出電流等等性能參數(shù)性能參數(shù) S Uc uo ui C - + + N1 - + + N2 元件性能的影響和要求元件性能的影響和要求l 模擬開(kāi)關(guān)模擬開(kāi)關(guān) 模擬開(kāi)關(guān)是一種在數(shù)字信號(hào)控制下將模擬信號(hào)模擬開(kāi)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(kāi)的元件或電路接通或斷開(kāi)的元件或電路 該開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)元件和控制該開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)

8、元件和控制(驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng))電路兩部分組成電路兩部分組成控制電路開(kāi)關(guān)元件元件性能的影響和要求元件性能的影響和要求l 模擬開(kāi)關(guān)的分類模擬開(kāi)關(guān)的分類 按切換的對(duì)象分：按切換的對(duì)象分：電壓和電流開(kāi)關(guān)電壓和電流開(kāi)關(guān)電壓模擬開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是：電壓模擬開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是：當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，跨于它當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，跨于它兩端的電壓總與被換接的電壓兩端的電壓總與被換接的電壓Vx有關(guān)，而且通過(guò)有關(guān)，而且通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流則與負(fù)載開(kāi)關(guān)的電流則與負(fù)載RL有關(guān)有關(guān)電流模擬開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是：電流模擬開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是：不管負(fù)載電阻不管負(fù)載電阻RL的大小的大小如何，流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流總是和被換接的電流如何，流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流總是和被換接的電流Ix相等，相等，而且換接

9、的電壓則由而且換接的電壓則由RL*Ix決定決定元件性能的影響和要求元件性能的影響和要求l 模擬開(kāi)關(guān)的分類模擬開(kāi)關(guān)的分類 按切換對(duì)象使用元件：按切換對(duì)象使用元件：機(jī)械觸點(diǎn)式和電子式開(kāi)關(guān)機(jī)械觸點(diǎn)式和電子式開(kāi)關(guān)機(jī)械觸點(diǎn)式：機(jī)械觸點(diǎn)式：干簧繼電器，水銀繼電器及機(jī)械振子繼電器等干簧繼電器，水銀繼電器及機(jī)械振子繼電器等電子式開(kāi)關(guān)：電子式開(kāi)關(guān)：二極管、雙極性晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光耦二極管、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(kāi)關(guān)等合器件及集成模擬開(kāi)關(guān)等元件性能的影響和要求元件性能的影響和要求l 模擬開(kāi)關(guān)的性能參數(shù)模擬開(kāi)關(guān)的性能參數(shù)靜態(tài)特性：靜態(tài)特性：主要指開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)輸入端與輸出端之間主要

10、指開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)輸入端與輸出端之間的電阻的電阻R Ronon和和R Roffoff, ,此外還有最大開(kāi)關(guān)電壓、最此外還有最大開(kāi)關(guān)電壓、最大開(kāi)關(guān)電流和驅(qū)動(dòng)功耗等大開(kāi)關(guān)電流和驅(qū)動(dòng)功耗等動(dòng)態(tài)特性：動(dòng)態(tài)特性：開(kāi)關(guān)動(dòng)作延遲時(shí)間，包括開(kāi)關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間開(kāi)關(guān)動(dòng)作延遲時(shí)間，包括開(kāi)關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間T Tonon和開(kāi)關(guān)截止延遲時(shí)間和開(kāi)關(guān)截止延遲時(shí)間T Toffoff通常通常T TononTToffoff理想模擬開(kāi)關(guān)時(shí)理想模擬開(kāi)關(guān)時(shí)T Tonon00，T Toffoff00元件性能的影響和要求元件性能的影響和要求l 模擬開(kāi)關(guān)的性能參數(shù)模擬開(kāi)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)模擬為了得到高質(zhì)量的采樣保持

11、電路，場(chǎng)效應(yīng)模擬開(kāi)關(guān)的速度應(yīng)快，極間電容，夾斷電壓或開(kāi)啟開(kāi)關(guān)的速度應(yīng)快，極間電容，夾斷電壓或開(kāi)啟電壓，導(dǎo)通電阻和反向漏電流等參數(shù)都應(yīng)小電壓，導(dǎo)通電阻和反向漏電流等參數(shù)都應(yīng)小ID=0時(shí)的VGS值為場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓VP, VGS=0時(shí)的ID值為場(chǎng)效應(yīng)管的飽和漏極電流IDSSCD4051CD4051多路模擬開(kāi)關(guān)多路模擬開(kāi)關(guān) 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 1 5 2 4 16 11 10 9 6 8 7 INH S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 1 4 CD4051CD4051

12、多路模擬開(kāi)關(guān)多路模擬開(kāi)關(guān)元件性能的影響和要求元件性能的影響和要求l 存儲(chǔ)電容存儲(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，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鉭電容和聚碳酸脂電容器等l 原因：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)峰值的檢波誤差后的電容

13、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，降低保持精度小，降低保持精度什么是電容的吸附效應(yīng)？什么是電容的吸附效應(yīng)？l 在實(shí)際電容器中，電容器介質(zhì)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)，往和消失都不可能瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)，往往需要一定的時(shí)間，因而使電往需要一定的時(shí)間，因而使電介質(zhì)常數(shù)隨信號(hào)頻率和環(huán)境溫介質(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)度變化，不能似為常數(shù)l 實(shí)際電容器的仿真模型如右圖實(shí)際電容器的仿真模型如右圖所示，圖中所示，圖中C C為理想電

14、容值，為理想電容值，R R0 0為電容器的泄漏電阻，其余為電容器的泄漏電阻，其余的阻容網(wǎng)絡(luò)則為介質(zhì)吸附效應(yīng)的阻容網(wǎng)絡(luò)則為介質(zhì)吸附效應(yīng)的仿真的仿真1第一節(jié)第一節(jié) 采樣保持電路采樣保持電路二、采樣保持實(shí)用電路二、采樣保持實(shí)用電路(1)模擬開(kāi)關(guān)漏電流的旁路模擬開(kāi)關(guān)漏電流的旁路 Uc - + + N R -E V1 ui C uo V 通過(guò)通過(guò)減小模擬開(kāi)關(guān)漏電流減小模擬開(kāi)關(guān)漏電流對(duì)存儲(chǔ)電容的影響來(lái)提高保持精度對(duì)存儲(chǔ)電容的影響來(lái)提高保持精度V為主開(kāi)關(guān)，為主開(kāi)關(guān)，V1為隔離開(kāi)關(guān)為隔離開(kāi)關(guān) 當(dāng)控制電壓當(dāng)控制電壓Uc為高電平時(shí)為高電平時(shí)，V和和V1導(dǎo)通，電路處于采樣階段導(dǎo)通，電路處于采樣階段 當(dāng)控制電壓當(dāng)控制

15、電壓Uc為低電平時(shí)為低電平時(shí)，V和和V1關(guān)斷，電路處于保持階段關(guān)斷，電路處于保持階段 Uc - + + N R -E V1 ui C uo V 在保持狀態(tài)下在保持狀態(tài)下，V的漏電流通過(guò)的漏電流通過(guò)R流入運(yùn)算放大器的輸出端。流入運(yùn)算放大器的輸出端。由于該漏電流在由于該漏電流在R上形成的壓降很小，一般低于上形成的壓降很小，一般低于10mV，所以，所以V1的漏極與襯底間的電壓很小的漏極與襯底間的電壓很小 同樣，同樣，V1源極與襯底之間的電壓為運(yùn)算放大器兩輸入端的電源極與襯底之間的電壓為運(yùn)算放大器兩輸入端的電壓差壓差(即失調(diào)電壓即失調(diào)電壓)，也是很小的，也是很小的 在這種條件下，在這種條件下，V1的漏

16、電流大約減小兩個(gè)數(shù)量級(jí)的漏電流大約減小兩個(gè)數(shù)量級(jí) Uc - + + N R -E V1 ui C uo V 可見(jiàn)采用可見(jiàn)采用V1后能將后能將V與存儲(chǔ)電容與存儲(chǔ)電容C隔離隔離 一方面使一方面使V的漏電流不流經(jīng)存儲(chǔ)電容的漏電流不流經(jīng)存儲(chǔ)電容 另一方面又有效地降低了另一方面又有效地降低了V1的漏電流，從而提高了存儲(chǔ)電容的漏電流，從而提高了存儲(chǔ)電容的保持精度的保持精度 Uc - + + N R -E V1 ui C uo V 二、采樣保持實(shí)用電路二、采樣保持實(shí)用電路(2)(2)電容校正方法電容校正方法應(yīng)用應(yīng)用補(bǔ)償電容補(bǔ)償電容C1C1來(lái)減小開(kāi)關(guān)漏電流及運(yùn)算放大器偏來(lái)減小開(kāi)關(guān)漏電流及運(yùn)算放大器偏置電流的影

17、響置電流的影響 uo ui C V Uc VD1 VD2 V1 - + + N2 - + + N1 R1 C1 R3 R2 V2 二、采樣保持實(shí)用電路二、采樣保持實(shí)用電路l 當(dāng)當(dāng)Uc為高電平時(shí)：為高電平時(shí)： V VD1D1使使V V1 1的的U UGS1GS1UP1(UP1(夾斷電壓夾斷電壓) )，開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)V1V1斷開(kāi)斷開(kāi)這時(shí)這時(shí)VD2VD2反偏使反偏使V V的的U UGSGS=OV=OV，開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)V V導(dǎo)通導(dǎo)通，從而使，從而使V2V2也導(dǎo)通也導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻分別為，導(dǎo)通電阻分別為RonRon和和Ron2Ron2， 電路處于電路處于采樣狀態(tài)，等效電路如圖。采樣狀態(tài)，等效電路如圖。 uo ui

18、 C V Uc VD1 VD2 V1 - + + N2 - + + N1 R1 C1 R3 R2 V2 二、采樣保持實(shí)用電路二、采樣保持實(shí)用電路l 當(dāng)當(dāng)Uc為高電平時(shí)：為高電平時(shí)： C uo - + + N2 - + + N1 ui C1 Ron2 Ron N1、N2和和R1構(gòu)成負(fù)反饋電路，構(gòu)成負(fù)反饋電路，N2用作跟隨器，使用作跟隨器，使uo=ui由于主模擬開(kāi)關(guān)由于主模擬開(kāi)關(guān)V處于閉環(huán)回路中，所以其導(dǎo)通電阻處于閉環(huán)回路中，所以其導(dǎo)通電阻Ron以以及及N2的失調(diào)和漂移對(duì)精度的影響均大大地削弱?？梢?jiàn)電路有的失調(diào)和漂移對(duì)精度的影響均大大地削弱?？梢?jiàn)電路有很高的采樣精度很高的采樣精度存儲(chǔ)電容存儲(chǔ)電容C

19、和反饋校正電容和反饋校正電容C1都引入時(shí)間常數(shù)，限制了電路都引入時(shí)間常數(shù)，限制了電路的工作速度的工作速度等效電路如圖等效電路如圖 V，V2導(dǎo)通導(dǎo)通 采樣狀態(tài)采樣狀態(tài)R1二、采樣保持實(shí)用電路二、采樣保持實(shí)用電路l 當(dāng)當(dāng)Uc為低電平時(shí)：為低電平時(shí)： V和和V2截止，截止，V1導(dǎo)通，電路處于導(dǎo)通，電路處于保持狀態(tài)保持狀態(tài)，等效，等效電路如圖所示電路如圖所示 uo ui C V Uc VD1 VD2 V1 - + + N2 - + + N1 R1 C1 R3 R2 V2 二、采樣保持實(shí)用電路二、采樣保持實(shí)用電路l 當(dāng)當(dāng)Uc為低電平時(shí)：為低電平時(shí)： C uo - + + N2 - + + N1 ui R

20、1 C1 Ron1 等效電路等效電路 V1導(dǎo)通使導(dǎo)通使N1繼續(xù)處于負(fù)反饋閉環(huán)狀態(tài)，避免繼續(xù)處于負(fù)反饋閉環(huán)狀態(tài)，避免N1處于開(kāi)環(huán)而處于開(kāi)環(huán)而進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，以縮短進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，以縮短S/H電路從保持狀態(tài)到采樣狀態(tài)電路從保持狀態(tài)到采樣狀態(tài)的過(guò)渡時(shí)間的過(guò)渡時(shí)間 由于由于V和和V2為對(duì)稱管，兩管的泄漏電流值相等，且反饋補(bǔ)償為對(duì)稱管，兩管的泄漏電流值相等，且反饋補(bǔ)償電容電容C1=C，因而開(kāi)關(guān)管泄漏電流、，因而開(kāi)關(guān)管泄漏電流、N2的偏置電流將在的偏置電流將在C1、C上產(chǎn)生數(shù)值相同的電壓變化量，而且兩電容電壓的變化對(duì)上產(chǎn)生數(shù)值相同的電壓變化量，而且兩電容電壓的變化對(duì)輸出電壓輸出電壓uo的影響剛好相反，

21、互相抵消，使輸出電壓基本的影響剛好相反，互相抵消，使輸出電壓基本不變不變 采用補(bǔ)償電容措施，大約使保持精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)采用補(bǔ)償電容措施，大約使保持精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)(3)高速高速S/H電路電路l 用開(kāi)環(huán)式采樣用開(kāi)環(huán)式采樣/保持電路方案，選用高速元件，并通保持電路方案，選用高速元件，并通過(guò)擴(kuò)增驅(qū)動(dòng)電流來(lái)減小存儲(chǔ)電容的充電時(shí)間過(guò)擴(kuò)增驅(qū)動(dòng)電流來(lái)減小存儲(chǔ)電容的充電時(shí)間 - + + N1 - + + N2 Uc uo C ui V1 R1 R2 V V2 VD1 VD2 (3)高速高速S/H電路電路l 在采樣期間，在采樣期間，UcUc為正，為正，V V與與V2V2導(dǎo)通，導(dǎo)通，V1V1截止截止l V2V

22、2的導(dǎo)通將使的導(dǎo)通將使V V和和C C置于置于N1N1的閉的閉環(huán)回路中，環(huán)回路中，C C上的電壓將等于上的電壓將等于輸入電壓而不受輸入電壓而不受V V的導(dǎo)通電阻的導(dǎo)通電阻的影響的影響 - + + N1 - + + N2 Uc uo C ui V1 R1 R2 V V2 VD1 VD2 l 另外，由于另外，由于N1N1反相端的偏置電流和反相端的偏置電流和V1V1的漏電流都很小的漏電流都很小V2導(dǎo)通電阻的壓導(dǎo)通電阻的壓降極小，故其影響可以略去不計(jì)，所以降極小，故其影響可以略去不計(jì)，所以C上的電壓仍能非常精確地等上的電壓仍能非常精確地等于于N1反相端的電壓反相端的電壓l 但與圖但與圖6-1-10相比

23、，由于相比，由于N2未在反饋回路中，雖然未在反饋回路中，雖然N2使電路工作速度使電路工作速度得以提高，但它的漂移和共模誤差在采樣期間得不到校正，會(huì)使采樣得以提高，但它的漂移和共模誤差在采樣期間得不到校正，會(huì)使采樣誤差增大誤差增大l 在保持期，在保持期，V、V2截止。除了截止。除了V外，外，V2也將產(chǎn)生漏電流。所以保持精也將產(chǎn)生漏電流。所以保持精度也比圖度也比圖6-1-10的差的差l 由此可見(jiàn)，這個(gè)電路的速度提高是靠犧牲精度換來(lái)的由此可見(jiàn)，這個(gè)電路的速度提高是靠犧牲精度換來(lái)的(4)集成采樣集成采樣-保持電路保持電路AD582 & 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

24、?/ /# 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 # 失調(diào)調(diào)零(4)集成采樣集成采樣-保持電路保持電路AD582l 兩級(jí)運(yùn)算放大器兩級(jí)運(yùn)算放大器N N1 1和和N N2 2，模擬開(kāi)關(guān)，模擬開(kāi)關(guān)S S，門(mén)控制電路，門(mén)控制電路D DG Gl 應(yīng)用時(shí)，引腳應(yīng)用時(shí)，引腳3 3和和4 4之間外接之間外接1OOk1OOk電位器用以失調(diào)調(diào)零電位器用以失調(diào)調(diào)零l 引腳引腳6 6外接保持電容外接保持電容C C: :0.0010.0010.01uf0.01uf，其大小與采樣頻率和，其大小與采樣頻率和精度有關(guān)精度有關(guān)l 引腳引

25、腳1212輸入控制信號(hào)輸入控制信號(hào)U Uc cl 圖中，圖中，AD582AD582的采樣的采樣- -保持輸出信號(hào)送入保持輸出信號(hào)送入A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD571AD571的模的模擬量輸入端，擬量輸入端，AD571AD571的狀態(tài)輸出端與的狀態(tài)輸出端與AD582AD582的控制信號(hào)輸入端的控制信號(hào)輸入端相連接。相連接。A/DA/D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)后，狀態(tài)輸出端為低電平，控制轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)后，狀態(tài)輸出端為低電平，控制AD582AD582內(nèi)的開(kāi)關(guān)內(nèi)的開(kāi)關(guān)S S斷開(kāi)，斷開(kāi)，AD582AD582處于保持狀態(tài)，當(dāng)處于保持狀態(tài)，當(dāng)A/DA/D轉(zhuǎn)換器對(duì)轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬輸入量的轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束時(shí)，狀態(tài)輸出端立即變?yōu)楦唠娖剑?/p>

26、模擬輸入量的轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束時(shí)，狀態(tài)輸出端立即變?yōu)楦唠娖?，使使AD582AD582內(nèi)的開(kāi)關(guān)內(nèi)的開(kāi)關(guān)S S閉合，使之又處于采樣狀態(tài)閉合，使之又處于采樣狀態(tài)第二節(jié)第二節(jié) 電壓比較電路電壓比較電路l模擬電壓比較電路是用來(lái)鑒別和比較兩個(gè)模擬輸入電壓大模擬電壓比較電路是用來(lái)鑒別和比較兩個(gè)模擬輸入電壓大小的電路小的電路l比較器的輸出反映兩個(gè)輸入量之間相對(duì)大小的關(guān)系，比較器的輸出反映兩個(gè)輸入量之間相對(duì)大小的關(guān)系， 其其符號(hào)和理想比較器特性如圖符號(hào)和理想比較器特性如圖l當(dāng)當(dāng)uiUR時(shí)，比較器輸出邏輯時(shí)，比較器輸出邏輯0電平電平l當(dāng)當(dāng)ui=UR時(shí)，是輸出發(fā)生變化的臨界點(diǎn)時(shí)，是輸出發(fā)生變化的臨界點(diǎn)l可用器件可用器件(

27、1)通用運(yùn)放通用運(yùn)放(2)專用比較器專用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？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)(1)比較器的一個(gè)重要指標(biāo)是它的比較器的一個(gè)重要指標(biāo)是它的響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間，它一般低于，它一般低于10-10-20ns20ns。響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間與與放大器的上升速率和增益放大器的上升速率和增益- -帶寬積帶寬積有關(guān)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，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(lái)提高響應(yīng)速度用

28、運(yùn)算放大器本身的帶寬來(lái)提高響應(yīng)速度 (2)(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(wú)需當(dāng)在比較器后面連接數(shù)字電路時(shí)，專用集成比較器無(wú)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，低輸出而言，必須對(duì)輸出電壓采取嵌位措施，使它的高，低輸出電位滿足數(shù)字電路邏輯電平的要求電位滿足數(shù)字電路邏輯電平的要求一、電平比較電路一、電平比較電路1、差動(dòng)型電平比較電路、差動(dòng)型電平比較電路門(mén)限電平門(mén)限電平UR也稱基準(zhǔn)電也稱基準(zhǔn)電 壓壓當(dāng)當(dāng)UR=0時(shí)，時(shí)， 稱過(guò)零比較電路，又稱稱過(guò)零比較電路，又稱鑒零器鑒零器

29、-1 +1 # ui Uo UR uiUR a) b) 一、電平比較電路一、電平比較電路1、差動(dòng)型電平比較電路、差動(dòng)型電平比較電路 門(mén)限電平門(mén)限電平U UR R接至比較器的一個(gè)輸入端接至比較器的一個(gè)輸入端 待比較的輸入電壓接比較器的另一個(gè)輸入端待比較的輸入電壓接比較器的另一個(gè)輸入端 若將若將U UR R與與u ui i對(duì)調(diào)，則傳輸特性相反對(duì)調(diào)，則傳輸特性相反 由于比較器本身有失調(diào)電壓由于比較器本身有失調(diào)電壓u uosos 若要比較電路檢測(cè)毫伏級(jí)的微弱信號(hào)，必須根若要比較電路檢測(cè)毫伏級(jí)的微弱信號(hào)，必須根據(jù)據(jù)u uosos的極性，事先在的極性，事先在U UR R中消除這個(gè)中消除這個(gè)u uosos值

30、值 當(dāng)當(dāng)U UR R=O=O時(shí)，稱過(guò)零比較電路，又稱鑒零器時(shí)，稱過(guò)零比較電路，又稱鑒零器2、求和型電平比較電路、求和型電平比較電路輸入電壓輸入電壓u ui i和和U UR R均加在運(yùn)算放大器的反相端均加在運(yùn)算放大器的反相端因相加點(diǎn)因相加點(diǎn)的電位始終接近于零電位，所以不會(huì)的電位始終接近于零電位，所以不會(huì)造成共模誤差造成共模誤差 - + + ui Uo U R1 R2 R 門(mén)限電平門(mén)限電平UR為為:URRUR21 a)2、求和型電平比較電路、求和型電平比較電路電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)：l門(mén)限電壓不僅與門(mén)限電壓不僅與U有關(guān)，有關(guān)，而且與電阻而且與電阻R1與與R2的比值有關(guān)，的比值有關(guān)，門(mén)限電壓選擇靈活門(mén)限

31、電壓選擇靈活 l輸出的高、低電平分別為運(yùn)算放輸出的高、低電平分別為運(yùn)算放大器的正、負(fù)飽和電位大器的正、負(fù)飽和電位 l加入箝位電路，可輸出所要求的邏輯電平加入箝位電路，可輸出所要求的邏輯電平 l對(duì)于緩慢變化的輸入信號(hào)，當(dāng)其接近于門(mén)限電平時(shí)，疊加對(duì)于緩慢變化的輸入信號(hào)，當(dāng)其接近于門(mén)限電平時(shí)，疊加在它上的干擾信號(hào)在它上的干擾信號(hào)un會(huì)使比較器產(chǎn)生誤翻轉(zhuǎn)，會(huì)使比較器產(chǎn)生誤翻轉(zhuǎn)，“振鈴振鈴”現(xiàn)現(xiàn)象，象，如圖如圖l為克服比較器的為克服比較器的振鈴振鈴現(xiàn)象，可采用滯回比較路現(xiàn)象，可采用滯回比較路 - + + ui Uo U R1 R2 R UR ui un M N P Q Uo 2、求和型電平比較電路、求和

32、型電平比較電路二、滯回比較電路二、滯回比較電路從電路的輸出端至運(yùn)算放大器同相輸入端之間引入一從電路的輸出端至運(yùn)算放大器同相輸入端之間引入一個(gè)正反饋，個(gè)正反饋， 就構(gòu)成滯回比較器就構(gòu)成滯回比較器 ui Uo U1 O U2 -1 +1 # ui Uo UR R R2 R1 a)b)二、滯回比較電路二、滯回比較電路l 設(shè)比較器輸出高電平、低電平設(shè)比較器輸出高電平、低電平U UoHoH、U UoLoLl 兩個(gè)門(mén)限電壓兩個(gè)門(mén)限電壓U U1 1( (U Ui i下降下降) )和和U U2 2( (U Ui i上升上升) )分別為分別為: :21221122122111RRRURRRUURRRURRRUU

33、oHRoLR l U1U1和和U2U2的差值的差值UU稱為滯后電平，其值為：稱為滯后電平，其值為：)(21212oLoHUURRRUUU -1 +1 # ui Uo UR R R2 R1 ui Uo U1 O U2 二、滯回比較電路二、滯回比較電路l滯后電壓可用滯后電壓可用R1或或R2來(lái)調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)l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)，就可消除上述上述“振鈴振鈴”現(xiàn)象，從而大大提高抗干擾能力現(xiàn)象，從而大大提高抗干擾能力l但加寬輸入轉(zhuǎn)換區(qū)，就不可能規(guī)定很窄的比較電平，使檢但加寬輸入轉(zhuǎn)換區(qū)，就不可能規(guī)定很窄的比較電平，使檢測(cè)誤差加大，所以測(cè)誤差

34、加大，所以U不宜取得過(guò)大不宜取得過(guò)大l滯回比較器也常用于：滯回比較器也常用于：把積分延時(shí)波形變換成快速上升方波，或把慢速變化把積分延時(shí)波形變換成快速上升方波，或把慢速變化(如如正弦波等正弦波等)信號(hào)整形為快速變化的脈沖性方波，信號(hào)整形為快速變化的脈沖性方波， 有時(shí)為有時(shí)為了消除過(guò)渡電平中干擾的影響，也用它作整形電路了消除過(guò)渡電平中干擾的影響，也用它作整形電路三、窗口比較電路三、窗口比較電路判斷判斷ui是否在兩個(gè)電平之間，需采用窗口比較電路是否在兩個(gè)電平之間，需采用窗口比較電路 -1 +1 # & -1 +1 # ui VS E R1 RP R2 Uo1 Uo2 Uo UZ N2 N1 UR2

35、UR1 “1” “0” O U UR2 UR1 ui Uo 下限比較器下限比較器上限比較器上限比較器三、窗口比較電路三、窗口比較電路l它由兩個(gè)電壓比較器和一個(gè)它由兩個(gè)電壓比較器和一個(gè)與非門(mén)與非門(mén)構(gòu)構(gòu)成成圖中，電源圖中，電源E和穩(wěn)壓管和穩(wěn)壓管Vs及電阻及電阻R1、R2和和Rp構(gòu)成基準(zhǔn)電壓電路構(gòu)成基準(zhǔn)電壓電路l下限比較器下限比較器N2反相輸入端的基準(zhǔn)電壓反相輸入端的基準(zhǔn)電壓為為:UR2=E-Uzl上限比較器上限比較器N1同相輸入端的基準(zhǔn)電壓同相輸入端的基準(zhǔn)電壓為為:UR1=UzRp/(R1+Rp)+UR2=KUz+UR2當(dāng)當(dāng)uiUR2時(shí)時(shí):U01=1, U02=0， 則則U0=1當(dāng)當(dāng)UR2uiUR

36、1時(shí)時(shí):U01=0, U02=1， 則則U0=1窗口的位置由窗口的位置由UR1、UR2決定決定窗口的窗口的 寬度寬度:U=UR1-UR2=KUZ，取決于取決于R1和和Rp的分壓系數(shù)的分壓系數(shù)K -1 +1 # & -1 +1 # ui VS E R1 RP R2 Uo1 Uo2 Uo UZ N2 N1 UR2 UR1 UO1UO2 UouiUR1011UR2uiUR1110第三節(jié)第三節(jié) 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路電壓頻率轉(zhuǎn)換電路一、一、V/f V/f 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器l 能把輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，輸出能把輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)電壓值成比例，故又稱為電信號(hào)頻率與輸

37、入信號(hào)電壓值成比例，故又稱為電壓控制壓控制( (壓控壓控) )振蕩器振蕩器(VCO)(VCO)l 應(yīng)用：應(yīng)用：在調(diào)頻，鎖相和在調(diào)頻，鎖相和A/DA/D變換等許多技術(shù)領(lǐng)域得到變換等許多技術(shù)領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用非常廣泛的應(yīng)用1、用通用運(yùn)放組成、用通用運(yùn)放組成V/f轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路l 電路主要包括積分器、比較器和積分復(fù)原開(kāi)關(guān)等電路主要包括積分器、比較器和積分復(fù)原開(kāi)關(guān)等 -U V - + + N1 - + + N2 R2 -E ui R1 R3 C R4 R5 R6 R7 R8 R9 uC uP VS1 VS2 VS3 uo 1、用通用運(yùn)放組成、用通用運(yùn)放組成V/f轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路l 由由N2、R5

38、-R8組成的滯回比較器組成的滯回比較器的正相輸入端兩個(gè)門(mén)限電平為：的正相輸入端兩個(gè)門(mén)限電平為： 76676727667671RRRURRRUURRRURRRUUZZ Uz:輸出限幅電壓，其大小由穩(wěn)壓輸出限幅電壓，其大小由穩(wěn)壓管管VS2和和VS3的穩(wěn)壓值所決定的穩(wěn)壓值所決定 -U V - + + N1 - + + N2 R2 -E ui R1 R3 C R4 R5 R6 R7 R8 R9 uC uP VS1 VS2 VS3 uo Uzl N1N1組成的積分器輸出組成的積分器輸出u uc c為零為零由比較器特性可知由比較器特性可知, ,此時(shí)此時(shí): :比較器輸出比較器輸出u uo o為負(fù)向限幅電壓為

39、負(fù)向限幅電壓 -Uz-Uz開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)管V V截止，比較器同相端電壓截止，比較器同相端電壓u up p為負(fù)向門(mén)限電平為負(fù)向門(mén)限電平U U2 2 -U V - + + N1 - + + N2 R2 -E ui R1 R3 C R4 R5 R6 R7 R8 R9 uC uP VS1 VS2 VS3 uo l 積分器輸出電壓積分器輸出電壓u uc c負(fù)向增加，負(fù)向增加，u uc cU)所示電路可以用來(lái)作微電流放所示電路可以用來(lái)作微電流放大器。由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)輸入電阻大器。由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)輸入電阻不是無(wú)窮大而是一個(gè)有限值，它本身的不是無(wú)窮大而是一個(gè)有限值，它本身的輸入偏置電流輸入偏置電流Ib不為

40、零，所以總是有誤不為零，所以總是有誤差存在差存在一、一、I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器l 因此為了獲得高精度的微電流放大器，必須選用開(kāi)因此為了獲得高精度的微電流放大器，必須選用開(kāi)環(huán)輸入電阻高、環(huán)輸入電阻高、Ib小的場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入型運(yùn)算放小的場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入型運(yùn)算放大器。但這種運(yùn)算放大器的大器。但這種運(yùn)算放大器的Ib隨溫度上升而成倍增隨溫度上升而成倍增加加l采用采用T T形網(wǎng)絡(luò)電路組形網(wǎng)絡(luò)電路組成的微電流放大電路成的微電流放大電路有時(shí)也能取得較好的有時(shí)也能取得較好的效果，效果， 以反相輸入型以反相輸入型為例，其原理如圖為例，其原理如圖一、一、I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器由上式可知，由上式可知， 可以采用較小的可以采用較小的R1和和R3的阻值，的阻值，仍能滿足一定放大倍數(shù)的要求仍能滿足一定放大倍數(shù)的要求l在理想情況下有在理想情況下有: 二、二、 V/I轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 l V/I轉(zhuǎn)換器不僅要求輸出電流與輸入電壓具有線性關(guān)系轉(zhuǎn)換器不僅要求輸出電流與輸入電壓具有線性關(guān)系 l 而且要求輸出電流隨負(fù)載電阻變化所引起的變化量不超過(guò)允而且要求輸出電流