測控電路-9第六章-信號轉(zhuǎn)換電路6課件

第六章信號轉(zhuǎn)換電路從信號形態(tài)變換的觀點將各種轉(zhuǎn)換分為三種：（1）從自然界物理量到電量的轉(zhuǎn)換：傳感器（2）電量之間的轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換電路（3）從電量到物理量的轉(zhuǎn)換6.1模擬開關(guān)6.2電壓比較電路6.3電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.4電壓電流轉(zhuǎn)換電路6.5模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路第六章信號轉(zhuǎn)換電路模塊法。將復(fù)雜電路分成幾個功能模塊，分別分析。標注法。在電路元件上標注當前工作狀態(tài)。列表法。列出元件工作狀態(tài)，和電參數(shù)的數(shù)值。6.1模擬開關(guān)

模擬開關(guān)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。

模擬開關(guān)有三個端子：控制端C、信號輸入端I及信號輸出端O。有的I/O可以互換，稱為雙向開關(guān)?？刂齐娐烽_關(guān)元件模擬開關(guān)的主要參數(shù)：導(dǎo)通電阻Ron：開關(guān)閉合時呈現(xiàn)的電阻。截止電阻Roff：開關(guān)斷開時呈現(xiàn)的電阻。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。

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。6.1模擬開關(guān)6.1.1

增強型MOSFET開關(guān)電路一、N溝道增強型MOSFET開關(guān)電路SDGuiuoucRonuiO優(yōu)點：Roff~1013

不足：Ron隨ui增大而增大

6.1.1

增強型MOSFET開關(guān)電路二、CMOS開關(guān)電路

b）Ron-ui特性RonRon(C)Ron(N)Ron(P)uiO將P溝道與N溝道MOSFET并聯(lián)uiuouGN+E-EuGP

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(fù)雜的運算等優(yōu)點。為了將模擬信號轉(zhuǎn)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(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間上離散化電路。

6.2

采樣/保持電路6.2.1基本原理采樣保持(S/H)電路的基本組成：（1）模擬開關(guān)（2）模擬信號存儲電容（3）輸入、輸出緩沖放大器

uoa）S/H電路原理b）模擬信號采樣tTs∞-++N1∞-++uiSUCCtuoy(t)OOui,uoUCy(t)=Acos2πft

y(t)E1cos(2πfst)=AE1[cos2π(fs+f)t+cos2π(fs-f)t]/2采樣定理：（1）采樣頻率fs>2fmax（2）采樣間隔Ts<1/2fmax（3）通常取fs=(7~10)fmax

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

2fs

f

F(f)*

Fs(f)

推理ys(t)=E0+E1cos(2πfst)+E2cos(4πfst)+…y(t)ys(t)=E0

y(t)+E1y(t)cos(2πfst)+E2y(t)cos(4πfst)+…fs-fmax>fmax對采樣保持電路的主要要求：精度和速度，充電快、放電慢∞-++N1∞-++ui

uoSUCC帶寬，上升速率、最大輸出電流和漂移輸入阻抗、上升速率、漂移導(dǎo)通電阻、截止電阻、延遲時間漏電流6.2.1基本原理采樣保持電路的主要性能指標：捕捉時間：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(nèi)所需的時間。跟蹤性能的標志，捕捉時間越長表示跟蹤性能越差?？讖綍r間：指從發(fā)出保持指令的時刻起，到開關(guān)真正斷開所需的時間。切斷能力的標志。下垂率：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。為提高實際電路的精度和速度，需同時從元件和電路兩方面著手解決。6.2.1基本原理6.3電壓比較電路

一、差動比較電路-1+1#uiUoURui<URuiUoUROui>URa）電壓比較器符號b）電壓比較器特性電壓比較器是一種電壓-開關(guān)信號轉(zhuǎn)換器。6.3.1電平比較電路：1/12/2023二、求和比較電路（閾值可變）優(yōu)點：閾值可變?nèi)秉c：振鈴現(xiàn)象∞-++uiUoUR1R2RΣURuiun電平比較器的“振鈴”現(xiàn)象Uo6.3.1電平比較電路1/12/2023

6.3.2滯回比較電路不同方向變化不同閾值a)電路原理圖b)傳輸特性uiUoU1OU2-1+1#uiUoURRR2R11/12/2023-1+1#uiUoURRR2R1VS2VS3電壓比較器是一種帶正反饋的運算放大器，以提高轉(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。

6.3.2滯回比較電路

6.3.3窗口比較電路

單方向多個閾值ui“1”“0”O(jiān)UUR2UR1Uo-1+1#

&-1+1#uiVSR1RPR2Uo1Uo2UoUZN2N1UR2UR1E1/12/20236.4

電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.4.1V/f轉(zhuǎn)換電路定義：V/f(電壓/頻率)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號電壓值成比例，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變換等許多技術(shù)領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)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1/12/2023一、積分復(fù)原型V/f轉(zhuǎn)換電路ui越高uC越快達到uP電平，比較器翻轉(zhuǎn)越快比較器門限電平為：一、積分復(fù)原型

OU1U2uoT1T2tuCU2U1ttOOuP6.4.1V/f轉(zhuǎn)換電路積分器充電過程的輸出電壓為：充電時間為：1/12/2023一、積分復(fù)原型

V∞-++N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比較器復(fù)原開關(guān)∞-++N1R2uiR1C積分器6.4.1V/f轉(zhuǎn)換電路V截止，up為負向門限電平U21/12/2023一、積分復(fù)原型

V∞-++N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比較器復(fù)原開關(guān)∞-++N1R2uiR1C積分器6.4.1V/f轉(zhuǎn)換電路V導(dǎo)通，且up=U1C放電，uC電位增大，當增大到uC負向增大,V截止1/12/2023時間段uiucupuo三極管V電容CI00U2-UZ截至II大于0負向增加，當uc≤U2U1+UZ導(dǎo)通放電負向減少，當uc≥U2U2-UZ截至充電V/f轉(zhuǎn)換電路二、電荷平衡型uo∞-++N1∞-++N2SuiRIS單穩(wěn)定時器uCiURC（1）線性好；（2）易于集成6.4.1V/f轉(zhuǎn)換電路uC減小,N2翻轉(zhuǎn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出窄脈沖信號S接通設(shè)計|Is|>i,uc電位正向增大當窄脈沖結(jié)束，S斷開，ui又對C充電，周而復(fù)始。1/12/2023二、電荷平衡型uot1tuCtOOt06.4.1V/f轉(zhuǎn)換電路根據(jù)電荷平衡有：1/12/2023許多頻率解調(diào)電路都屬于f/V轉(zhuǎn)換電路6.4.2

f/V

轉(zhuǎn)換電路f/V轉(zhuǎn)換電路原理框圖u1u2一、通用運放f/V轉(zhuǎn)換電路

包括三個部分：電平比較器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和彽通濾波器N1構(gòu)成滯回比較電路N2構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路N3、R12、C2構(gòu)成低通濾波電路f/V轉(zhuǎn)換電路時間段uNuo2V1V2u2Cup常態(tài)負高電平uo2m導(dǎo)通導(dǎo)通0正觸發(fā)脈沖正低電平截至截至高電平um充電逐漸上升經(jīng)過TW負高電平uo2m導(dǎo)通導(dǎo)通0放電下降E×R6/(R+R6)→UHUH→E×R6/(R+R6)V/f轉(zhuǎn)換電路：積分復(fù)原型

積分器，復(fù)原開關(guān)，比較器f

/V轉(zhuǎn)換電路：正弦波，經(jīng)過滯回比較器，轉(zhuǎn)換成方波信號，經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)電路，轉(zhuǎn)換成窄脈沖信號，經(jīng)過低通濾波器，轉(zhuǎn)換成恒定電壓值6.4.1電流/電壓轉(zhuǎn)換電路6.4電壓電流轉(zhuǎn)換電路R1uo∞-++NR2Rsisi一、反相輸入型要求電流源is的內(nèi)阻Rs必須很大，is需遠大于運算放大器偏置電流6.4.1電流/電壓轉(zhuǎn)換電路二、同相輸入型R2∞-++NuoR1R3R4iui當R1確定后，可根據(jù)i與uo的范圍決定R2及R3。要求：（1）輸出電流只與輸入電壓有關(guān)，與負載基本無關(guān)；（2）能夠輸出所需較大電流。RLuiio輸出電流不僅與輸入電壓有關(guān)，而且與負載有關(guān)不能輸出所需較大電流ioRLuiRRRL

6.4.1電壓/電流轉(zhuǎn)換電路ioR4R7+RL

R4∞-++NV2R5R1R3V1R2R6R7uNuPuiUb+ER1=R2，R3=R4

RL6.4.1電壓/電流轉(zhuǎn)換電路利用疊加法6.5模擬數(shù)字轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號，為此要使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱A/D轉(zhuǎn)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(gòu)等，需要數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（簡稱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。6.5.1量值的數(shù)碼表示（一）二進制碼在數(shù)字技術(shù)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(zhuǎn)換電路UR——基準量值；2-i

——相應(yīng)數(shù)碼位的加權(quán)值。6.5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；2i

——相應(yīng)數(shù)碼位的加權(quán)值。（一）二進制碼6.5.1量值的數(shù)碼表示主要技術(shù)指標（1）分辨率發(fā)生單位數(shù)碼變化時，所對應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路6.5模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.1量值的數(shù)碼表示a)采樣b)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

對應(yīng)編碼

'1F'2F'3F'4F'5F'6F'7F'8F主要技術(shù)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(yīng)數(shù)值范圍所需的時間，是描述D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的一個重要參數(shù)。（5）轉(zhuǎn)換誤差給定數(shù)字代碼時測得的實際模擬輸出量和對應(yīng)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(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6.5.2D/A轉(zhuǎn)換電路（一）加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電路

R1URUoS2d2dnSn2R4R2n-1RS3d3S1d1R∞-++NI1I2I3InIoA電阻值差別太大

′不好制作、不好集成

6.5.2D/A轉(zhuǎn)換電路（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；（2）Ai向右看電流平分URRS1S2S3RA1d1d2d3(MSB)2R2R2RUoRdn-1dn(LSB)2R2R2RIoSn-1SnR1A2A3An-1An1010101010∞-++N8RInI2R6.5.3A/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電子開關(guān)計數(shù)器控制邏輯數(shù)據(jù)輸出標準時鐘RCUiUR-URUC∞-++NUCUi1Ui2T1tO-UR-UR(1）Ui在T1內(nèi)定時充電

6.5模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.3A/D轉(zhuǎn)換電路(一）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器(2）根據(jù)UC(T