第6章信號轉(zhuǎn)換電路

1、第第6章章 信號轉(zhuǎn)換電路信號轉(zhuǎn)換電路 測試電路的靈活性體現(xiàn)之一是它能方便地將各類型的測試電路的靈活性體現(xiàn)之一是它能方便地將各類型的信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。信號轉(zhuǎn)換電路使得各種不同輸入輸出信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。信號轉(zhuǎn)換電路使得各種不同輸入輸出器件可以連用。在進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換時需考慮以下兩個問題。器件可以連用。在進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換時需考慮以下兩個問題。一是信號轉(zhuǎn)換電路應(yīng)具有所需特性；二是要求信號轉(zhuǎn)換電一是信號轉(zhuǎn)換電路應(yīng)具有所需特性；二是要求信號轉(zhuǎn)換電路具有一定的輸入輸出阻抗以與之相連的器件阻抗匹配。路具有一定的輸入輸出阻抗以與之相連的器件阻抗匹配。6.1 模擬開關(guān)模擬開關(guān) 模擬開關(guān)在電路中用于實現(xiàn)模擬信號通與斷的電子

2、開模擬開關(guān)在電路中用于實現(xiàn)模擬信號通與斷的電子開關(guān)器件，它在多路選擇、采樣保持、開關(guān)電容、開關(guān)電流關(guān)器件，它在多路選擇、采樣保持、開關(guān)電容、開關(guān)電流和濾波器等電路中都有大量的應(yīng)用。和濾波器等電路中都有大量的應(yīng)用。6.1.1 模擬開關(guān)及主要參數(shù)模擬開關(guān)及主要參數(shù) 模擬開關(guān)有三個端子：控制端模擬開關(guān)有三個端子：控制端C、信號輸入端、信號輸入端I及信號及信號輸出端輸出端O。有的。有的I/O可以互換，稱為雙向開關(guān)?？梢曰Q，稱為雙向開關(guān)。 模擬的主要參數(shù)：模擬的主要參數(shù)：導(dǎo)通電阻：開關(guān)閉合時呈現(xiàn)的電阻。導(dǎo)通電阻：開關(guān)閉合時呈現(xiàn)的電阻。截止電阻：開關(guān)斷開時呈現(xiàn)的電阻。截止電阻：開關(guān)斷開時呈現(xiàn)的電阻。延遲

3、時間：控制信號改變時對應(yīng)產(chǎn)生的輸出延時，包括導(dǎo)延遲時間：控制信號改變時對應(yīng)產(chǎn)生的輸出延時，包括導(dǎo) 通和截止延時。通和截止延時。 常用的開關(guān)元件有二極管開關(guān)、三極管開關(guān)、場效應(yīng)常用的開關(guān)元件有二極管開關(guān)、三極管開關(guān)、場效應(yīng)管開關(guān)等管開關(guān)等 。6.1.2 增強型增強型MOSFET開關(guān)電路開關(guān)電路 一、一、N溝道增強型溝道增強型MOSFET開關(guān)電路開關(guān)電路 MOSMOS管管的工作原理建立在半導(dǎo)體表面場效應(yīng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上。的工作原理建立在半導(dǎo)體表面場效應(yīng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上。MOSMOS管管uGS=0時，就存在導(dǎo)電溝道時，就存在導(dǎo)電溝道(iD0)uGS=0時，不存在導(dǎo)電溝道時，不存在導(dǎo)電溝道(iD=0)耗盡型：

4、耗盡型：增強型：增強型： 1)結(jié)構(gòu)：金屬(Al)氧化物(SIO2)半導(dǎo)體所謂表面場效應(yīng)是指半導(dǎo)體表面有電場作用時，表面載流子濃所謂表面場效應(yīng)是指半導(dǎo)體表面有電場作用時，表面載流子濃度發(fā)生變化的現(xiàn)象。度發(fā)生變化的現(xiàn)象。(P型Si)三層結(jié)構(gòu)。 1)MOSMOS管管的分類與結(jié)構(gòu)的分類與結(jié)構(gòu)2)工作原理工作原理 兩個兩個N+區(qū)與區(qū)與P區(qū)三者間形成兩個背靠區(qū)三者間形成兩個背靠uDS 0時，時，uGS對導(dǎo)電溝道的影響對導(dǎo)電溝道的影響uGS=0(G、S極間短路極間短路)：PN+結(jié)處于反偏，故漏極電流結(jié)處于反偏，故漏極電流iD 0，管子截止。管子截止。背的背的PN+結(jié)，如圖所示。結(jié)，如圖所示。這時不管這時不管

5、uDS的極性如何，總會有一個的極性如何，總會有一個BSGVDDDN+N+P PPN+ +結(jié)結(jié)PN+ +結(jié)結(jié)P型襯底型襯底 uDS 0時時uGS對導(dǎo)電溝道的影響對導(dǎo)電溝道的影響第一種情況，第一種情況，0uGS UGS(th) ， 第二種情況，第二種情況，uGS UGS(th) ， uGS0：uDS=0=0。這里的這里的UGS(thth) ) 為開啟電壓，為開啟電壓，柵極和襯底相當(dāng)于充有絕緣介質(zhì)的平柵極和襯底相當(dāng)于充有絕緣介質(zhì)的平板電容器。板電容器。UGS(th) 0 0，其值約為其值約為2V2V 10V10V。在在P P型硅表面形成一個電子薄層型硅表面形成一個電子薄層D、S間溝道形成。間溝道形成

6、。 uGS越大，越大，溝道愈厚，溝道電阻愈小。溝道愈厚，溝道電阻愈小。 uGSUGS(th)的某一值時，的某一值時，uDS對對iD的的影響影響 uGS為大于為大于UGS(th)的某一值時的某一值時uDS對對iD的的影響影響( (a)a)uDS uGS -uGS(th) ( (b)b)uDS= uGS -uGS(th) ( (c)c)uDS uGS -uGS(th) uDS uGS -uGS(th)， uDS= uGS -uGS(th)， uDS uGS -uGS(th) ，iD 0，溝道不等寬溝道不等寬。溝道預(yù)夾斷。溝道預(yù)夾斷。 夾斷區(qū)延長。夾斷區(qū)延長。3 3）特性曲線與電流方程特性曲線與電流

7、方程 N溝道增強型溝道增強型MOS管的特性管的特性曲線曲線(a)(a)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性(b)(b)輸出特性輸出特性在恒流區(qū)，在恒流區(qū)，2)() 1(thGSGSDODuuIiDthGSGSDOiuuI對應(yīng)的)(2 1. CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理MOS反相器反相器0UDSIDuiuoUCCR負(fù)載線負(fù)載線ui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1”二、二、CMOS開關(guān)電路開關(guān)電路uiuoUDDuiuoUDD實際結(jié)構(gòu)實際結(jié)構(gòu)等效結(jié)構(gòu)等效結(jié)構(gòu)負(fù)載管負(fù)載管驅(qū)動管驅(qū)動管CMOS反相器反相器UDDSVT2DVT1AFNMOS管管PMOS管管CMOS電路電路UDDSVT2DVT1AFA=0

8、截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通F=“”工作原理：工作原理：UDDSVT2DVT1AFA=導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止F=“”工作原理：工作原理：VTN1UDDSDVTP2VTP1VTN2ABFA=0B=0截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通F=1CMOS與非門與非門VTN1UDDSDVTP2VTP1VTN2ABFA=0B=1截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通F=1VTN1UDDSDVTP2VTP1VTN2ABFA=1B=0截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通F=1VTN1UDDSDVTP2VTP1VTN2ABFA=1B=1導(dǎo)通導(dǎo)通F=0截止截止ABF001110011011BAF 2. CMOS反相器的電壓、電流傳輸特性反相器的電壓、電流傳輸特性CMOS反相器的電壓傳輸特性如

9、圖所示。該特反相器的電壓傳輸特性如圖所示。該特性曲線大致分為性曲線大致分為AB、 BC、 CD三個階段。三個階段。CMOS反相器的電壓傳輸特性反相器的電壓傳輸特性 UIUOUDDABUDD21UTNUTPUDD21UDD0DC AB段：段：UIUTN輸入低電平時，輸入低電平時，UGS1UTN, |UG S 2|UT P|， 故故V1截止，截止，V2導(dǎo)通，導(dǎo)通，UO=UOHUDD，輸出高電平。輸出高電平。 CD段：段：UIUDD-|UTP|輸入為高電平，輸入為高電平，V1導(dǎo)通，而導(dǎo)通，而|UGS2|UTP|，故，故V2截止，所以截止，所以UO=UOL0，輸出低電平。輸出低電平。 BC段：段：UT

10、NUI(UDD-|UTP|)，此時由此時由于于UGS1UTN，UGS2|UTP|，故，故V1、V2均導(dǎo)均導(dǎo)通。若通。若V1、V2的參數(shù)對稱，則的參數(shù)對稱，則UI=1/2UDD時時兩管導(dǎo)通內(nèi)阻相等，兩管導(dǎo)通內(nèi)阻相等，UO=1/2UDD。因此，因此，CMOS反相器的閾值電壓為反相器的閾值電壓為UT1/2UDD。BC段特性曲線很陡，可見段特性曲線很陡，可見CMOS反相器的反相器的傳輸特性接近理想開關(guān)特性，傳輸特性接近理想開關(guān)特性， 因而其噪聲因而其噪聲容限大，抗干擾能力強。容限大，抗干擾能力強。 CMOS反相器的電流傳輸特性如圖所示，反相器的電流傳輸特性如圖所示，在在AB段由于段由于V1截止，阻抗很

11、高，所以流過截止，阻抗很高，所以流過V1和和V2的漏電流幾乎為的漏電流幾乎為0。 在在CD段段V2截止，截止，阻抗很高，所以流過阻抗很高，所以流過V1和和V2的漏電流也幾的漏電流也幾乎為乎為0。只有在。只有在BC段，段，V1和和V2均導(dǎo)通時才均導(dǎo)通時才有電流有電流iD流過流過V1和和V2，并且在并且在UI=1/2UDD附附近，近，iD最大。最大。 CMOS反相反相器的電流傳輸特性器的電流傳輸特性UIiDABUTNUTPUDD21UDD0CD 3. CMOS反相器的應(yīng)用反相器的應(yīng)用1） CMOS與非門與非門和和或非門或非門 在在CMOS反相器的基礎(chǔ)上可以構(gòu)成各種反相器的基礎(chǔ)上可以構(gòu)成各種CMOS

12、邏輯門。如邏輯門。如CMOS與非門，它由四個與非門，它由四個MOS管組成。管組成。V1、V2為兩只串聯(lián)的為兩只串聯(lián)的NMOS管，為驅(qū)動管，管，為驅(qū)動管，V3、V4為兩只并聯(lián)的為兩只并聯(lián)的PMOS管，為負(fù)載管。輸出管，為負(fù)載管。輸出F和輸和輸入入A、B之間是與非關(guān)系，即之間是與非關(guān)系，即F=AB。還有還有 CMOS或非門電路等?；蚍情T電路等。CMOS與非門與非門（驅(qū)動管串聯(lián)，負(fù)載管并聯(lián)）（驅(qū)動管串聯(lián)，負(fù)載管并聯(lián)） UDDFV4(P)V2(N)V1(N)V3(P)ABCMOS或非門或非門（驅(qū)動管并聯(lián)，負(fù)載管串聯(lián)）（驅(qū)動管并聯(lián)，負(fù)載管串聯(lián)） UDDFV4(P)V2(N)V1(N)V3(P)AB 2)

13、 CMOS門電路的構(gòu)成規(guī)律門電路的構(gòu)成規(guī)律 分析復(fù)雜的分析復(fù)雜的CMOS門電路時，可以不門電路時，可以不必像前面一樣逐個分析電路中各必像前面一樣逐個分析電路中各MOS管管的通斷情況，而可以按照下面的規(guī)律判斷的通斷情況，而可以按照下面的規(guī)律判斷電路的功能電路的功能(或構(gòu)成或構(gòu)成CMOS門電路門電路)： 驅(qū)動管串聯(lián)，負(fù)載管并聯(lián)；驅(qū)動管串聯(lián)，負(fù)載管并聯(lián)； 驅(qū)動驅(qū)動管并聯(lián)，管并聯(lián)， 負(fù)載管串聯(lián)負(fù)載管串聯(lián)。 3） CMOS傳輸門傳輸門 驅(qū)動管相串為驅(qū)動管相串為“與與”， 相并為相并為“或或”， 先串后先串后并為先并為先“與與”后后“或或”， 先并后串為先先并后串為先“或或”后后“與與”。 驅(qū)動管組和負(fù)載

14、管組連接點引出輸出為驅(qū)動管組和負(fù)載管組連接點引出輸出為“取反取反”。 CMOS傳輸門的傳輸門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號如下圖電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號如下圖(a) 、 (b)所示。所示。 CMOS傳輸門傳輸門(a) 電路結(jié)構(gòu)；電路結(jié)構(gòu)； (b) 邏輯符號邏輯符號 CCV2V1UI/UOUO/UIUDD(a)TGUI/UOUO/UICC(b)CMOS傳輸門中兩個傳輸門中兩個MOS管的工作狀態(tài)管的工作狀態(tài) CCUIUOUDDRLUOUICD1S1RLV1UOUIRLV2S2D2C 當(dāng)在控制端當(dāng)在控制端C加加0V，在，在C 端加端加UDD時，只要輸時，只要輸入信號的變化范圍不超出入信號的變化范圍不超出0UDD，則

15、，則V1和和V2同時截同時截止，輸入與輸出之間呈高阻態(tài)止，輸入與輸出之間呈高阻態(tài)(109)，傳輸門截傳輸門截止。止。 反之，若反之，若C=UDD，C=0V，而且在而且在RL遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于V1、V2的導(dǎo)通電阻的情況下，則當(dāng)?shù)膶?dǎo)通電阻的情況下，則當(dāng)0UIUDD-UTN時時V1將導(dǎo)通，而當(dāng)將導(dǎo)通，而當(dāng)|UTP|UIUDD時時V2導(dǎo)通。因此，導(dǎo)通。因此，UI在在0UDD之間變化時，之間變化時，V1和和V2至少有一個是導(dǎo)通至少有一個是導(dǎo)通的，使的，使UI與與UO兩端之間呈低阻態(tài)兩端之間呈低阻態(tài)(小于小于1k)，傳輸傳輸門導(dǎo)通。門導(dǎo)通。 由于由于V1、V2管的結(jié)構(gòu)形式是對稱的，即漏極管的結(jié)構(gòu)形式是對稱的，即

16、漏極和源極可互換使用，因而和源極可互換使用，因而CMOS傳輸門傳輸門屬于雙向器屬于雙向器件，它的輸入端和輸出端也可以互易使用。件，它的輸入端和輸出端也可以互易使用。 傳輸門的一個重要用途是作模擬開關(guān)，它可傳輸門的一個重要用途是作模擬開關(guān)，它可以用來傳輸連續(xù)變化的模擬電壓信號。以用來傳輸連續(xù)變化的模擬電壓信號。 模擬開關(guān)模擬開關(guān)的基本電路由的基本電路由CMOS傳輸門和一個傳輸門和一個CMOS反相器組反相器組成，如圖所示。當(dāng)成，如圖所示。當(dāng)C=1時，開關(guān)接通，時，開關(guān)接通，C=0時，開時，開關(guān)斷開，因此只要一個控制電壓即可工作。和關(guān)斷開，因此只要一個控制電壓即可工作。和CMOS傳輸門一樣，傳輸門一

17、樣，模擬開關(guān)也是雙向器件。模擬開關(guān)也是雙向器件。 CMOS雙向模擬開關(guān)雙向模擬開關(guān)(a) 電路結(jié)構(gòu)；電路結(jié)構(gòu)； (b) 邏輯符號邏輯符號 UI/UOUO/UISWUI/UOUO/UIC(b)TG1C(a)4） CMOS邏輯門系列邏輯門系列CMOS邏輯門器件有三大系列：邏輯門器件有三大系列： 4000系列。系列。 74C系列。系列。 硅硅-氧化鋁系列。氧化鋁系列。其中其中4000B系列部分器件如下表所示。系列部分器件如下表所示。各系列各系列CMOS電路的主要技術(shù)參數(shù)電路的主要技術(shù)參數(shù)如下表所示。如下表所示。表表 4000B系列部分器件系列部分器件 編編 號號 說說 明明 CD4001B CD40

18、02B CD4011B CD4012B CD4030B CD4050B CD4066B CD4069B CD4085B 四四2輸入或非門輸入或非門 二二4輸入或非門輸入或非門 四四2輸入與非門輸入與非門 二二4輸入與非門輸入與非門 四四2輸入異或門輸入異或門 六緩沖器六緩沖器 六雙向模擬開關(guān)六雙向模擬開關(guān) 六反相器六反相器二二2-2與或非門與或非門 表表 各系列各系列CMOS電路的技術(shù)參數(shù)電路的技術(shù)參數(shù)邏輯系列邏輯系列 電源電壓電源電壓/V 功耗功耗/mW每每門門 傳輸延遲傳輸延遲/ns每門每門 4000B 74HC/HCT 74AC/ACT 318 26 26 2.5 1.2 0.9 251

19、00 10 5CMOS電路電路的優(yōu)點：的優(yōu)點：.靜態(tài)功耗小。靜態(tài)功耗小。.允許電源電壓范圍寬（允許電源電壓范圍寬（3 18V）。）。3.扇出系數(shù)大，抗噪容限大。扇出系數(shù)大，抗噪容限大。6.1.3 集成模擬開關(guān)集成模擬開關(guān) 集成模擬開關(guān)種類型號有很多，目前適用于便攜應(yīng)用集成模擬開關(guān)種類型號有很多，目前適用于便攜應(yīng)用的新型低功耗模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻可達(dá)的新型低功耗模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻可達(dá)10，泄露電流僅為，泄露電流僅為2nA。 C544、CD4066均為單片集成均為單片集成CMOS四模擬開關(guān)電路四模擬開關(guān)電路即在同一芯片上集成了四個獨立的電路結(jié)構(gòu)完全相同的即在同一芯片上集成了四個獨立的電路結(jié)構(gòu)完全相同的C

20、MOS 雙相模擬開關(guān)單元。雙相模擬開關(guān)單元。6.1.4 模擬多路開關(guān)電路模擬多路開關(guān)電路 模擬多路開關(guān)又稱模擬多路轉(zhuǎn)換器，他由地址譯碼器和模擬多路開關(guān)又稱模擬多路轉(zhuǎn)換器，他由地址譯碼器和多路雙向模擬開關(guān)組成。根據(jù)外部地址輸入信號經(jīng)內(nèi)部地多路雙向模擬開關(guān)組成。根據(jù)外部地址輸入信號經(jīng)內(nèi)部地址譯碼器選通與地址譯碼相應(yīng)的模擬開關(guān)單元，從址譯碼器選通與地址譯碼相應(yīng)的模擬開關(guān)單元，從N路模擬路模擬輸入信號中選取某一路傳送到輸出端，或把一路模擬輸入輸入信號中選取某一路傳送到輸出端，或把一路模擬輸入信號送到信號送到N個輸出端中的某一端輸出。個輸出端中的某一端輸出。6.2 采樣保持電路采樣保持電路 采樣保持采樣

21、保持(S/H)電路具有采集某一瞬間的模擬信號并按需電路具有采集某一瞬間的模擬信號并按需要保持且輸出采集的電壓數(shù)值的功能。要保持且輸出采集的電壓數(shù)值的功能。+uiuoCHSA1A2uCuo, uiuoui0(a) 電路圖(b) 波形圖 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11t采樣脈沖（fS）開關(guān)驅(qū)動電路 t0時刻時刻S閉合，閉合，CH被迅速充電，電路處于被迅速充電，電路處于采樣采樣階段。由于階段。由于兩個放大器的增益都為兩個放大器的增益都為1，因此這一階段，因此這一階段uo跟隨跟隨ui變化，即變化，即uoui。t1時刻采樣階段結(jié)束，時刻采樣階段結(jié)束，S斷開，電

22、路處于斷開，電路處于保持保持階段。階段。 采樣保持采樣保持(S/H)電路的主要參數(shù)有撲捉時間、孔徑時間、電路的主要參數(shù)有撲捉時間、孔徑時間、 下垂率等。下垂率等。撲捉時間撲捉時間：從發(fā)出采樣指令時刻起，直到輸出值達(dá)到規(guī)定的：從發(fā)出采樣指令時刻起，直到輸出值達(dá)到規(guī)定的誤差范圍內(nèi)所需要的時間。撲捉時間長則電路跟蹤性能差。誤差范圍內(nèi)所需要的時間。撲捉時間長則電路跟蹤性能差。孔徑時間孔徑時間：從發(fā)出保持指令時刻起，直到開關(guān)真正斷開為止：從發(fā)出保持指令時刻起，直到開關(guān)真正斷開為止需要的時間。孔徑時間長則電路停止采樣響應(yīng)差。需要的時間。孔徑時間長則電路停止采樣響應(yīng)差。下垂率下垂率：由于存儲電容電荷的泄露所

23、引起的輸出電壓的變化：由于存儲電容電荷的泄露所引起的輸出電壓的變化率。率。A/D轉(zhuǎn)換器在對模擬量轉(zhuǎn)換時，需要一定的轉(zhuǎn)換時間，轉(zhuǎn)換器在對模擬量轉(zhuǎn)換時，需要一定的轉(zhuǎn)換時間，在此時間內(nèi)輸入的模擬量是不確定的，會引起輸出的不確定在此時間內(nèi)輸入的模擬量是不確定的，會引起輸出的不確定誤差。正弦波最大相對誤差為誤差。正弦波最大相對誤差為%1002Tf 若使用一個采樣時間為若使用一個采樣時間為TAC、最大孔徑時間為、最大孔徑時間為TAP的的采樣采樣保持器和保持器和一個轉(zhuǎn)換時間為一個轉(zhuǎn)換時間為TCD的的A/D轉(zhuǎn)換器相連，按轉(zhuǎn)換器相連，按采樣定采樣定理要求，允許輸入信號的最高頻率為理要求，允許輸入信號的最高頻率為

24、)(21maxCDAPACTTTf 單片集成單片集成采樣保持器有通用型、高速型、高分辨率型及采樣保持器有通用型、高速型、高分辨率型及低下降率型等。如通用型低下降率型等。如通用型AD582、ICL7135等。等。 7135是應(yīng)用廣泛的是應(yīng)用廣泛的4位半雙積分位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器（類似的還轉(zhuǎn)換器（類似的還有有3位半芯片：位半芯片： ）。）。6.3.1 概述概述1.1.概念：概念：輸入：模擬量輸入：模擬量ui;參考電壓：參考電壓：（直流）直流）UREF;輸出：輸出：uo=0( (UoL) )1 1 (UoH)2. 傳輸特性傳輸特性)(0iufu ouiuTU3. 閾值電壓閾值電壓 使使uO從從UO

25、H躍變?yōu)檐S變?yōu)閁OL，或者從或者從UOL躍變?yōu)檐S變?yōu)閁OH的輸入電壓稱為的輸入電壓稱為電壓進(jìn)行比較，其結(jié)果是輸出兩個不同的電平。高電平和低電平。電壓進(jìn)行比較，其結(jié)果是輸出兩個不同的電平。高電平和低電平。是一種模擬信號處理電路。它是將輸入的模擬電壓與參考是一種模擬信號處理電路。它是將輸入的模擬電壓與參考閾值電壓，或轉(zhuǎn)折電壓，記作閾值電壓，或轉(zhuǎn)折電壓，記作UT。6.3 電壓比較電路電壓比較電路 4.4.電壓比較器結(jié)構(gòu)特點電壓比較器結(jié)構(gòu)特點 AuOuPuN AuOuPuN正反饋通路正反饋通路uOUOM-UOM0uP-uN5 5. .電壓比較器的種類電壓比較器的種類（1 1）單限比較器）單限比較器uO

26、UOHUOL0uI（2 2）滯回比較器）滯回比較器（3 3）窗口比較器）窗口比較器uOUT1UT20uIuOUOHUOL0uIUT1UT26.3.2 單限比較器單限比較器1.1.過零比較器過零比較器 AuOuI+UOM-UOMuO0uI AuOuID1D2R AuOuIDZUZRUREF=0時，0 uIoMUu0時，0 uIoMUu 0 AuOuIDZR2.2.一般單限比較器一般單限比較器 AuOuIDZUZR1R2RUREFuOuO+UZ-UZ0uIUTREFINURRRuRRRu212211利用疊加原理，利用疊加原理，令令uP= uN=0，求出閾值電壓求出閾值電壓當(dāng)當(dāng)uIUT時，時，REF

27、TURRU12所以所以uO=+UOM ，所以所以uO= -UOM ，)0 U REF(uO=UOH=+UZ ；uO=UOL=-UZ 。uP= 0uNup ，分析電壓傳輸特性三個要素的方法是：分析電壓傳輸特性三個要素的方法是： P P427427 （）通過電壓比較器（）通過電壓比較器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)確定確定UOL和和UOH ；（）（）寫出寫出up和和uN的的表達(dá)式，表達(dá)式，令令uN=up ，解得的解得的輸入電壓輸入電壓就是閾值就是閾值電壓電壓UT ；（）（） uO在在uI過過UT時的躍變方向決定于時的躍變方向決定于uI作用于集成運放的哪個作用于集成運放的哪個輸入端。輸入端。 當(dāng)當(dāng)uI從從反相輸入端輸入（

28、或通過電阻接反相輸入端）時，反相輸入端輸入（或通過電阻接反相輸入端）時，uIUT ，uO=UOL ； 當(dāng)當(dāng)uI從從同相輸入端輸入（或通過電阻接同相輸入端）時，同相輸入端輸入（或通過電阻接同相輸入端）時，uIUT ，uO=UOH 。 例例1 1 在圖（在圖（a a）所示的電路中，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓所示的電路中，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ= =6V6V；在圖在圖（b b）所示電路中，所示電路中，R1=R2=5k ，基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓UREF=2V，穩(wěn)壓管的穩(wěn)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓定電壓UZ=5V ；它們的輸入電壓為圖（它們的輸入電壓為圖（c c）所示的三角波。試畫所示的三角波。試畫出圖（出圖（a a）所示電路的輸

29、出電壓所示電路的輸出電壓UO1和圖（和圖（b b）所示電路的輸出電壓所示電路的輸出電壓UO2。uI/V50-5t圖圖(c)解：圖解：圖(a) (a) 為過零比較器。為過零比較器。 AuOuIDZR圖圖(a)當(dāng)當(dāng)uI0時，時，uO1=-UZ = -6V 。6uo1/Vt0-65-5t0uo2/VuI/V50-5t-2 AuOuIDZUZR1R2RUREFuO圖圖(b)VVURRUREFT225512當(dāng)當(dāng)uI2V時，時，uO1=-UZ = -5V 。特點：結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高；特點：結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高；抗干擾能力差，易造成電路誤動作?？垢蓴_能力差，易造成電路誤動作。6.3.3 滯回比較器滯回比較器令

30、令uP= uN，求出閾值電壓，求出閾值電壓uN = uI，uO=UZ ； AuOuIDZUZR1R2RUREFZREFPURRRURRRu211212ZREFTURRRURRRU2112121ZREFTURRRURRRU2112122uO0uI設(shè)設(shè)t=0時，時，uO=+UZ ，當(dāng)當(dāng)uIUT2 ，uIUT2時，時，UT1UT2 up =UT1 。uIUT1時，時，當(dāng)當(dāng)uIUT1 ， up =UT2 。重復(fù)上述過程重復(fù)上述過程回差電壓回差電壓衡量抗干擾能力的強弱衡量抗干擾能力的強弱越大，抗干擾能力越強，但靈敏度差。越大，抗干擾能力越強，但靈敏度差。ZURRRUUUTTT211122up =+UT2

31、 ；uO=+UZuO= -UZ ，uO= -UZ ，uO=+UZ 電壓比較器一般接成施密特觸發(fā)電路的形式，使電壓比較器一般接成施密特觸發(fā)電路的形式，使其上升沿和下降沿的觸發(fā)點具有不同的觸發(fā)電平，這其上升沿和下降沿的觸發(fā)點具有不同的觸發(fā)電平，這個電平差稱為回差電壓。讓回差電壓大于信號中的噪個電平差稱為回差電壓。讓回差電壓大于信號中的噪聲幅值，可避免比較器在觸發(fā)點附近因噪聲來回反轉(zhuǎn)，聲幅值，可避免比較器在觸發(fā)點附近因噪聲來回反轉(zhuǎn)，回差電壓越大，抗干擾能力越強。但回差電壓的存在回差電壓越大，抗干擾能力越強。但回差電壓的存在使比較器的觸發(fā)點不可避免地偏離理想觸發(fā)位置，造使比較器的觸發(fā)點不可避免地偏離理

32、想觸發(fā)位置，造成誤差，因此回差電壓的選取應(yīng)該兼顧抗干擾和精度成誤差，因此回差電壓的選取應(yīng)該兼顧抗干擾和精度兩方面的因素。兩方面的因素。 例例2 2 在圖（在圖（a a）所示的電路中，已知所示的電路中，已知R1=50k=50k ，R2=100k100k ，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=9V，輸入電壓輸入電壓uI的波形如圖（的波形如圖（b b）所示，所示，試畫出試畫出uO O的波形的波形。 AuOuIDZUZR1R2R圖（圖（a）3-3uI/V0t圖（圖（b）9-9uO/V0t解：解：ZTURRRU211uO9-90uI+3-3VV3910050506.3.4 窗口比較器窗口比較器uOuI

33、D1 A1D2R1 A2-+URHURLuO1uO2R2DZ設(shè)設(shè)URH URL ，R1 、 R2和和DZ構(gòu)成限幅電路。構(gòu)成限幅電路。當(dāng)當(dāng)uI URH，當(dāng)當(dāng)uI URL，當(dāng)當(dāng)URL uI URH， uO1 = uO2 =-UOM，UzURLURHuO0uID1導(dǎo)通，導(dǎo)通， D2截止，截止， D1截止，截止，D2導(dǎo)通，導(dǎo)通，D1和和D2均截止，穩(wěn)壓管截止，輸出電壓均截止，穩(wěn)壓管截止，輸出電壓uO = 0uO1 =+UOM，uO2 = -UOM 。uO1 =-UOM， uO2 = +UOM 。uO = UZuO = UZn1. V/ F 轉(zhuǎn)換器定義和指標(biāo)轉(zhuǎn)換器定義和指標(biāo) 定義：定義：V/ F (電壓

34、電壓/頻率頻率)轉(zhuǎn)換器能把輸入信號電壓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器能把輸入信號電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號，即它的輸出信號頻率與輸入信換成相應(yīng)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，故又稱為電壓控制號電壓值成比例，故又稱為電壓控制(壓控壓控)振蕩器振蕩器(VCO或或VFC )。 指標(biāo)：額定工作頻率和動態(tài)范圍，靈敏度或變換系數(shù)，指標(biāo)：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。非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數(shù)等。 6.4 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路電壓頻率轉(zhuǎn)換電路 6.4.1 V/f轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 n2. 應(yīng)用應(yīng)用：在調(diào)頻，鎖相和：在調(diào)頻，鎖相和A/D變換等許多技術(shù)領(lǐng)域得到非變換等許

35、多技術(shù)領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用，如用在數(shù)字式測量儀表中。常廣泛的應(yīng)用，如用在數(shù)字式測量儀表中。n主要用于信號隔離和遠(yuǎn)距離傳輸主要用于信號隔離和遠(yuǎn)距離傳輸 n（1）在工業(yè)現(xiàn)場或較大裝置的計算機測量控制系統(tǒng)中，）在工業(yè)現(xiàn)場或較大裝置的計算機測量控制系統(tǒng)中，由于各功能模塊接地點的電位不同，它對系統(tǒng)內(nèi)的各部分由于各功能模塊接地點的電位不同，它對系統(tǒng)內(nèi)的各部分電路，尤其是對模擬電路的正常工作有著很大的影響。所電路，尤其是對模擬電路的正常工作有著很大的影響。所以，測量現(xiàn)場的某些信號或控制設(shè)備往往要求隔離，以保以，測量現(xiàn)場的某些信號或控制設(shè)備往往要求隔離，以保護主機正常工作，完成各項控制功能，如前述的數(shù)字式測

36、護主機正常工作，完成各項控制功能，如前述的數(shù)字式測量儀表中。量儀表中。（2）模擬信號在傳輸過程中容易受到各種噪）模擬信號在傳輸過程中容易受到各種噪聲干擾，而經(jīng)過聲干擾，而經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號具轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號具有較強的抗干擾能力，故適宜遠(yuǎn)距離傳輸。有較強的抗干擾能力，故適宜遠(yuǎn)距離傳輸。 (3) 當(dāng)隔離電壓要求不是很高時可以用光電當(dāng)隔離電壓要求不是很高時可以用光電隔離器件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，而當(dāng)隔離電壓隔離器件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，而當(dāng)隔離電壓要求幾千伏甚至上萬伏時必須用光纖來傳要求幾千伏甚至上萬伏時必須用光纖來傳送。送。4. 電壓頻率轉(zhuǎn)換的主要方式電壓頻率轉(zhuǎn)換的主要方式 多諧振蕩式多諧振蕩式 電荷

37、平衡式電荷平衡式3. 電壓頻率轉(zhuǎn)換信號隔離示意圖電壓頻率轉(zhuǎn)換信號隔離示意圖（1）多諧振蕩式工作原理：）多諧振蕩式工作原理： 這種結(jié)構(gòu)利用電流控制精密多諧振蕩器作為基本定時這種結(jié)構(gòu)利用電流控制精密多諧振蕩器作為基本定時單元。輸入級運算放大器把輸入電壓轉(zhuǎn)換為與其成比例的單元。輸入級運算放大器把輸入電壓轉(zhuǎn)換為與其成比例的單極性電流來驅(qū)動多諧振蕩器電路和定時電容器，這個電單極性電流來驅(qū)動多諧振蕩器電路和定時電容器，這個電流決定定時電容的充放電速率，而定時電容又決定多諧振流決定定時電容的充放電速率，而定時電容又決定多諧振蕩電路的工作頻率。蕩電路的工作頻率。與輸入信號成正比的輸出頻率與輸入信號成正比的輸出

38、頻率經(jīng)過一經(jīng)過一個集電極開路的個集電極開路的NPNNPN三極管輸出為方波。三極管輸出為方波。（2）電荷平衡式工作原理：）電荷平衡式工作原理： 電荷平衡式電荷平衡式VFC由一個積分器、比較器、精密電荷源、單由一個積分器、比較器、精密電荷源、單穩(wěn)多諧振蕩器和輸出三極管構(gòu)成。輸入信號既可為電壓也可為穩(wěn)多諧振蕩器和輸出三極管構(gòu)成。輸入信號既可為電壓也可為電流。當(dāng)積分器輸出電壓達(dá)到比較器的閾值電壓時，輸出三極電流。當(dāng)積分器輸出電壓達(dá)到比較器的閾值電壓時，輸出三極管輸出一個脈寬一定的負(fù)脈沖，同時精密電荷源被觸發(fā)，并有管輸出一個脈寬一定的負(fù)脈沖，同時精密電荷源被觸發(fā)，并有固定的電荷從該積分器中被遷移。電荷放

39、電的速率與被施加的固定的電荷從該積分器中被遷移。電荷放電的速率與被施加的電壓一致，因此電荷源被觸發(fā)的頻率即電壓一致，因此電荷源被觸發(fā)的頻率即輸出脈沖串的頻率與輸輸出脈沖串的頻率與輸入電壓成正比入電壓成正比，所以實現(xiàn)了電壓，所以實現(xiàn)了電壓/頻率轉(zhuǎn)換。頻率轉(zhuǎn)換。（3）多諧振蕩器式）多諧振蕩器式與電荷平衡式與電荷平衡式VFC的比較的比較1）多諧振蕩器式）多諧振蕩器式VFC簡單、便宜、功耗低，具簡單、便宜、功耗低，具有單位占空比的方波輸出。但是精度低于電荷有單位占空比的方波輸出。但是精度低于電荷平衡式平衡式VFC，而且不能對負(fù)輸入信號積分。，而且不能對負(fù)輸入信號積分。（如（如AD654和和AD537)

40、2）電荷平衡式）電荷平衡式VFC比較精確，適合小的模擬信比較精確，適合小的模擬信號輸入，而且輸入信號可以為雙極性，輸出波號輸入，而且輸入信號可以為雙極性，輸出波形是脈沖串。缺點是對電路要求較高，輸入阻形是脈沖串。缺點是對電路要求較高，輸入阻抗低抗低(如如AD650、AD652和和VFC320)。（4）電荷平衡式電荷平衡式VFC 模塊模塊AD652原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用n1）AD652簡介：簡介： AD652 是美國是美國AD公司的一種高線性度電荷平衡式公司的一種高線性度電荷平衡式V/F轉(zhuǎn)換芯片。轉(zhuǎn)換芯片。v 輸出頻率范圍寬輸出頻率范圍寬:2MHZ(MAX)。v 線性誤差在滿頻度輸出為線性誤差在滿

41、頻度輸出為1MHZ時最大為時最大為0.005%。v 增益誤差：最大為增益誤差：最大為1.5%（Fclk=4MHZ）。）。v 可與可與TTL或或CMOS電平兼容，外接電路簡單（僅需一電平兼容，外接電路簡單（僅需一個積分電容和上拉電阻）。個積分電容和上拉電阻）。v 單極性或雙極性供電：單極性單極性或雙極性供電：單極性0V36V， 雙極性雙極性-18V+18V。v單極性或雙極性輸入信號：單極性輸入信號單極性或雙極性輸入信號：單極性輸入信號0V10V,雙極性輸入信號雙極性輸入信號-5V+5V。n2）AD652組成及工作過程組成及工作過程 它主要由積分器、比較器、與門、它主要由積分器、比較器、與門、D觸

42、發(fā)器、觸發(fā)器、鎖存器、轉(zhuǎn)換開關(guān)鎖存器、轉(zhuǎn)換開關(guān)K、1mA恒流源、外部時鐘組成恒流源、外部時鐘組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。單穩(wěn)電路和輸出集電極開路組成輸一個閉環(huán)系統(tǒng)。單穩(wěn)電路和輸出集電極開路組成輸出級。鎖存器的出級。鎖存器的Q端控制轉(zhuǎn)換開關(guān)端控制轉(zhuǎn)換開關(guān)K。當(dāng)。當(dāng)K打向積分打向積分器反向端，為積分器復(fù)位過程；當(dāng)器反向端，為積分器復(fù)位過程；當(dāng)K打向積分器輸出打向積分器輸出端，為積分過程。端，為積分過程。3）電荷平衡的建立）電荷平衡的建立 輸入積分器有兩種工作模式，一個是輸入積分器有兩種工作模式，一個是Integrate Mode（積分模式），一個是積分模式），一個是Reset Mode（重置模式）。重置模式

43、）。在積分時間在積分時間Ti內(nèi)，輸入電流內(nèi)，輸入電流Iin對積分電容對積分電容CINT充電，充電，Q=IinTi；在重置時間在重置時間Tr內(nèi)，放電電流內(nèi)，放電電流1mA- Iin對積分對積分電容電容CINT放電，放電，Q=(1mA- Iin) Tr 。Q=Q，即實現(xiàn)了即實現(xiàn)了電荷平衡。電荷平衡。所謂的電荷平衡是指所謂的電荷平衡是指在輸入信號電流和內(nèi)在輸入信號電流和內(nèi)部精密電流源之間建部精密電流源之間建立的一種電荷平衡。立的一種電荷平衡。4）電壓到頻率的轉(zhuǎn)換）電壓到頻率的轉(zhuǎn)換 可見，在可見，在Rin、F CLC一定的情況下，一定的情況下，F(xiàn)OUT與與Vin呈線性關(guān)系，呈線性關(guān)系，從而實現(xiàn)了從電壓

44、到頻率的轉(zhuǎn)換。由上可知從而實現(xiàn)了從電壓到頻率的轉(zhuǎn)換。由上可知V/F轉(zhuǎn)換實質(zhì)上就轉(zhuǎn)換實質(zhì)上就是向積分器輸入一個電流是向積分器輸入一個電流Iin ，通過對積分器正通過對積分器正/反向充電時間反向充電時間的控制，實現(xiàn)輸入電壓到輸出頻率的轉(zhuǎn)換。的控制，實現(xiàn)輸入電壓到輸出頻率的轉(zhuǎn)換。V/F 轉(zhuǎn)換實質(zhì)上也轉(zhuǎn)換實質(zhì)上也是一個是一個I/F轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。由由Q=Q出發(fā)，我們可以推導(dǎo)出輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系：出發(fā)，我們可以推導(dǎo)出輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系：IinTi=(1mA-Iin) TrininriII1TTmAinrriI1TTTmATr為輸入時鐘周期，（為輸入時鐘周期，（Tr+Ti）為輸出脈沖周期。為輸

45、出脈沖周期。ininininoutclcVmARRVmAFF1/1201201clcinclcininclcinoutFVmAKFVmARFVF 頻率是工業(yè)控制系統(tǒng)中的一個重要檢測參數(shù)，通常是用數(shù)頻率是工業(yè)控制系統(tǒng)中的一個重要檢測參數(shù)，通常是用數(shù)字頻率計來測量。在某些控制系統(tǒng)中字頻率計來測量。在某些控制系統(tǒng)中(如恒定調(diào)速系統(tǒng)如恒定調(diào)速系統(tǒng))，為了，為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，需要將頻率的變化轉(zhuǎn)換成直流電壓。由于常規(guī)實現(xiàn)閉環(huán)控制，需要將頻率的變化轉(zhuǎn)換成直流電壓。由于常規(guī)的測速反饋元件的測速反饋元件測速發(fā)電機的精度已不能滿足高精度閉環(huán)控測速發(fā)電機的精度已不能滿足高精度閉環(huán)控制的要求，需用高精度的頻率制的要求

46、，需用高精度的頻率電壓轉(zhuǎn)換器來代替測速發(fā)電機，電壓轉(zhuǎn)換器來代替測速發(fā)電機，以提高閉環(huán)控制精度。以提高閉環(huán)控制精度。1. 頻率一電壓變換工作原理頻率一電壓變換工作原理 頻率頻率電壓變換是將各種形式的頻率（或周期）信號，如電壓變換是將各種形式的頻率（或周期）信號，如正弦波、三角波、掃描波等，變換成矩形波，然后經(jīng)濾波后取正弦波、三角波、掃描波等，變換成矩形波，然后經(jīng)濾波后取出直流分量。由于被測信號的領(lǐng)率與矩形波直流分量成正比，出直流分量。由于被測信號的領(lǐng)率與矩形波直流分量成正比，可以測量矩形波的直流分量來反映被測頻率。下圖所示就是頻可以測量矩形波的直流分量來反映被測頻率。下圖所示就是頻率率電壓轉(zhuǎn)換器

47、的原理方框圖。電壓轉(zhuǎn)換器的原理方框圖。6.4.2 f/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 以轉(zhuǎn)速測量為例，因轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)所包含以轉(zhuǎn)速測量為例，因轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)所包含的面積的面積 等于每轉(zhuǎn)時間等于每轉(zhuǎn)時間T0與電壓平均值與電壓平均值U0的乘的乘積，可得：積，可得：udtnudtnfudtnTU001 LM131系列集成芯片可用作系列集成芯片可用作f/V變換器（或變換器（或V/f ）。它的。它的輸出電壓與輸入信號的頻率成正比。詳細(xì)內(nèi)容見輸出電壓與輸入信號的頻率成正比。詳細(xì)內(nèi)容見芯片介紹。芯片介紹。 可見，其輸出矩形脈沖的平均值取決于可見，其輸出矩形脈沖的平均值取決于 (1)轉(zhuǎn)速傳感轉(zhuǎn)速傳感器每轉(zhuǎn)發(fā)出

48、的脈沖數(shù)器每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)n (2)每個矩形脈沖的面積每個矩形脈沖的面積 (3)轉(zhuǎn)速頻率轉(zhuǎn)速頻率f。udt2. 集成集成f/V變換器變換器 對某種已知的轉(zhuǎn)速傳感器，對某種已知的轉(zhuǎn)速傳感器，n為已知，因此只有在矩為已知，因此只有在矩形脈沖面積為常數(shù)時，傳感器直流輸出電壓形脈沖面積為常數(shù)時，傳感器直流輸出電壓U0才正比于被才正比于被測頻率測頻率f。為了提高轉(zhuǎn)換精度，傳感器測量電路必須保證為了提高轉(zhuǎn)換精度，傳感器測量電路必須保證整形電路所產(chǎn)生的脈沖面積為某一恒定值。整形電路所產(chǎn)生的脈沖面積為某一恒定值。6.5 電壓電流轉(zhuǎn)換電路電壓電流轉(zhuǎn)換電路 6.5.1 I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 1. 電流一電壓轉(zhuǎn)換的原

49、理電流一電壓轉(zhuǎn)換的原理如圖所示，輸出電壓與輸如圖所示，輸出電壓與輸入電流的入電流的 關(guān)系為：關(guān)系為：ifIRU0的輸出電壓。范圍內(nèi)，獲得在取VmAIkRkRRif1001003151525013.,., 如圖所示的電流一電壓轉(zhuǎn)換如圖所示的電流一電壓轉(zhuǎn)換電路，輸出電壓與輸入電流電路，輸出電壓與輸入電流的的 關(guān)系為：關(guān)系為：ifIRRRRU31102.2. 0 010mA10mA0 05V5V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 當(dāng)變送器的輸出信號為電流信號時當(dāng)變送器的輸出信號為電流信號時, ,要轉(zhuǎn)化成可被單片機要轉(zhuǎn)化成可被單片機系統(tǒng)處理的電壓信號，需經(jīng)系統(tǒng)處理的電壓信號，需經(jīng)I IU U轉(zhuǎn)換。最簡單的轉(zhuǎn)換。最簡單的

50、I IU U轉(zhuǎn)換可轉(zhuǎn)換可以利用一個以利用一個500500的精密電阻，將的精密電阻，將0 010mA10mA的電流信號轉(zhuǎn)換為的電流信號轉(zhuǎn)換為0 05V5V的電壓信號。的電壓信號。 對于不存在共模干擾的對于不存在共模干擾的0 010mA10mA信號，如信號，如DDZ-DDZ-型儀表的型儀表的輸出信號等，可用圖輸出信號等，可用圖3-653-65所示的電阻式所示的電阻式I IU U轉(zhuǎn)換，其中轉(zhuǎn)換，其中RCRC構(gòu)構(gòu)成低通濾波網(wǎng)絡(luò)成低通濾波網(wǎng)絡(luò),R,RW W用于調(diào)整輸出電壓值。對于存在共模干擾用于調(diào)整輸出電壓值。對于存在共模干擾的情況，可采用隔離變壓器耦合的方式，將其轉(zhuǎn)換為的情況，可采用隔離變壓器耦合的方

51、式，將其轉(zhuǎn)換為0 05V5V電電壓信號輸出，在輸出端接負(fù)載時，要考慮轉(zhuǎn)換器的輸出驅(qū)動壓信號輸出，在輸出端接負(fù)載時，要考慮轉(zhuǎn)換器的輸出驅(qū)動能力，一般在輸出端可再接一個電壓跟隨器作為緩沖器。能力，一般在輸出端可再接一個電壓跟隨器作為緩沖器。 如圖所示為一實用的如圖所示為一實用的I IU U轉(zhuǎn)換電路，其實質(zhì)是同相轉(zhuǎn)換電路，其實質(zhì)是同相放大器電路，利用放大器電路，利用0 010mA10mA電流在電阻上產(chǎn)生輸入電壓，電流在電阻上產(chǎn)生輸入電壓，若取若取200200，則，則I I 10mA10mA時，產(chǎn)生時，產(chǎn)生2V2V的輸入電壓，的輸入電壓，該電路的放大倍數(shù)為：該電路的放大倍數(shù)為：11RRAf/2. 05

52、V/010mA轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路50RUIi77RRURRUIWiWfL比較的結(jié)果比較的結(jié)果Ui=Uf1. 簡單電壓簡單電壓電流變換電流變換6.5.2 V/I轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 3. 010V010mA DC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路輸入電壓。范圍內(nèi)線性地對應(yīng)輸出電流在時，當(dāng)VDCmARRVRVIffiff100,10020050iiffiPNVRRVVkRRkRRVVVRRRVRRRVVVVV51:20100,)(14432112322141422則有，若令又 4. 15V420mA DC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 將將15V輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸入電壓轉(zhuǎn)換為420mA輸出電流，輸出電流，如圖如圖3-55所示。所示。 其中基

53、準(zhǔn)電壓其中基準(zhǔn)電壓VB10V，輸入電壓加在基準(zhǔn)電壓輸入電壓加在基準(zhǔn)電壓VB上，從反相端輸入。晶體管上，從反相端輸入。晶體管T1、T2組成復(fù)合管，作為射組成復(fù)合管，作為射極跟隨器并降低極跟隨器并降低T1的基極電流，使的基極電流，使I0I1 （ I0=I1 - I2 ） 。ffBiNNfBBBPNRVIRVVVKRVVIKKVRRKVVVVRRR24124)1 (24:1221，則有若RKVKVIRKVIiBfi)()(,112421121021,)1 ()1 (24,IIIIRKVKVIRKVIiBfi 若取若取Rf62.5，K14，則當(dāng)則當(dāng)Vi15V時，時，I1=420mA，但輸出電流但輸出電

54、流I0比比I1 小一個誤差項小一個誤差項I2 ，且該誤且該誤差項為一變量差項為一變量，在輸出電路為在輸出電路為4mA時誤差最大。為了減時誤差最大。為了減少轉(zhuǎn)換誤差少轉(zhuǎn)換誤差，實際電路可取實際電路可取R140.25k，R2 40k， Rf 62.5， KR10k ，可使誤差降到最小。可使誤差降到最小。 采用上述電路時需要注意，在運放采用上述電路時需要注意，在運放A兩端有較高的兩端有較高的共模電壓，當(dāng)電源電壓為共模電壓，當(dāng)電源電壓為24V時，同相端和反相端的電壓時，同相端和反相端的電壓可高達(dá)可高達(dá)21.2V ，因此，在運放的選用時要選取具有耐高因此，在運放的選用時要選取具有耐高共模電壓的運放；同時

55、由于共模電壓的運放；同時由于A的最大輸出電壓接近電源電的最大輸出電壓接近電源電壓，因此對該運放的最大輸出電壓亦有要求。壓，因此對該運放的最大輸出電壓亦有要求。50.10.5V15mA轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 其作用是將其作用是將0.10.5V輸入電壓轉(zhuǎn)換成恒流輸入電壓轉(zhuǎn)換成恒流15mA輸輸出，其電流不受負(fù)載的影響。采用了負(fù)載接地的電流源，出，其電流不受負(fù)載的影響。采用了負(fù)載接地的電流源，其電路原理如圖其電路原理如圖3-56所示。所示。關(guān)。輸出電流與輸出電壓無則時，當(dāng)滿足：120121311013121213111200RUIRRRURRRRRRUIii它由兩個運算放大器組成，其線路的主要優(yōu)點是易恒流，

56、它由兩個運算放大器組成，其線路的主要優(yōu)點是易恒流，另外沒有共模電壓。其輸入與輸出關(guān)系為：另外沒有共模電壓。其輸入與輸出關(guān)系為：kRkRRmAVmAVRRR9 .991001005 . 05 . 011 . 0%06. 0100131112121311，電阻選擇如下：，時，輸出電流為輸入電壓為；時輸出電流為為了在輸入電壓為，實際誤差會更小。所引起的相對誤差為時，不超過則會產(chǎn)生誤差，若誤差時，若未滿足條件，即01312121311121301202011211113011URRRRRRURURUUIRURURURUii6. 集成集成UI 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 在實現(xiàn)在實現(xiàn)05V/DC，010V /DC

57、 及及15V/DC 與與010mA/ DC ，420mA/DC轉(zhuǎn)換時，也可直接采用集成電壓電流轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換時，也可直接采用集成電壓電流轉(zhuǎn)換電路來完成，下面以高精度電壓電流變換器換電路來完成，下面以高精度電壓電流變換器ZF2B20和和AD694 為例來分析這種電路的使用。為例來分析這種電路的使用。 ZF2B20是通過是通過U/I變換的方式產(chǎn)生一個與輸入電壓成比變換的方式產(chǎn)生一個與輸入電壓成比例的輸出電流。它的輸入電壓范圍是例的輸出電流。它的輸入電壓范圍是010V ，輸出電流是輸出電流是420mA(加接地負(fù)載加接地負(fù)載) ，采用單正電源供電，電源電壓范圍為采用單正電源供電，電源電壓范圍為1032V ，它

58、的特點是低漂移，在工作溫度為它的特點是低漂移，在工作溫度為-24+85范圍范圍內(nèi)，最大漂移為內(nèi)，最大漂移為0.005/ ，可用于控制和遙測系統(tǒng)，作為可用于控制和遙測系統(tǒng)，作為子系統(tǒng)或分系統(tǒng)之間的信息傳送和傳輸連接。子系統(tǒng)或分系統(tǒng)之間的信息傳送和傳輸連接。 ZF2B20的輸入電阻為的輸入電阻為10k，動態(tài)響應(yīng)時間小于動態(tài)響應(yīng)時間小于25 s，非線性小于非線性小于0.025。 利用利用ZF2B20實現(xiàn)電壓電流轉(zhuǎn)換極為方便。下面圖示實現(xiàn)電壓電流轉(zhuǎn)換極為方便。下面圖示電路是一種帶初始較準(zhǔn)的電路是一種帶初始較準(zhǔn)的010V到到420mA轉(zhuǎn)換電路；轉(zhuǎn)換電路； AD694則是一種帶滿度較準(zhǔn)的則是一種帶滿度較準(zhǔn)

59、的010V到到010mA轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路。 另一種常用的另一種常用的U/I轉(zhuǎn)換器是轉(zhuǎn)換器是AD公司的公司的AD694。D694是一種是一種420mA轉(zhuǎn)換器，適當(dāng)接線也可使其輸出范圍為轉(zhuǎn)換器，適當(dāng)接線也可使其輸出范圍為020mA。上圖為。上圖為D694的外引腳圖。的外引腳圖。AD694的主要特點是：的主要特點是： 1)輸出范圍：輸出范圍： 020mA ，420mA 。2)輸入范圍；輸入范圍；02V或或010V。 3)電源范圍：電源范圍：+4.536V。 4)可與電流輸出型可與電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器直接配合使用，實現(xiàn)程控電流輸出。轉(zhuǎn)換器直接配合使用，實現(xiàn)程控電流輸出。 5)具有開路或超限報警功能。

60、具有開路或超限報警功能。 對于不同的電源電壓、輸入和輸出范圍，其引腳接線也各不相同，對于不同的電源電壓、輸入和輸出范圍，其引腳接線也各不相同，下表下表3-3為其不同場合使用時的接線表。為其不同場合使用時的接線表。 AD694 的使用也較為簡單，的使用也較為簡單，對于對于010V輸入，輸入，420mA輸輸出，電源電壓大于出，電源電壓大于12.5V的情況的情況可參考右圖的基本接法。在這可參考右圖的基本接法。在這種情況下，輸出能驅(qū)動的最大種情況下，輸出能驅(qū)動的最大負(fù)載為：負(fù)載為：RL(Vs-2)20mA (k) 如當(dāng)電源電壓為如當(dāng)電源電壓為12.5V時，其最大負(fù)載電阻為時，其最大負(fù)載電阻為525。