測(cè)控電子線路第6章信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

第6章信號(hào)轉(zhuǎn)換電路作用：實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)轉(zhuǎn)換，如S/H、V/f、V/I、A/D?！?.1模擬開(kāi)關(guān)■6.2采樣保持電路■6.3電壓比較電路★■6.4電壓頻率轉(zhuǎn)換電路★■6.5電壓電流轉(zhuǎn)換電路★■6.6模擬數(shù)字轉(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：（1）從自然界物理量到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換——傳感器（2）電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換電路（3）從電信號(hào)到物理量的轉(zhuǎn)換——靜態(tài)標(biāo)定第6章信號(hào)轉(zhuǎn)換電路6.1模擬開(kāi)關(guān)■

主要參數(shù)導(dǎo)通電阻Ron：開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的電阻；截止電阻Roff：開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)的電阻，主要由漏電引起；延遲時(shí)間：控制信號(hào)改變時(shí)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的輸出延遲時(shí)間。■

開(kāi)關(guān)電路類型增強(qiáng)型MOSFFT開(kāi)關(guān)電路：N溝道增強(qiáng)型和CMOS型；集成模擬開(kāi)關(guān)電路：在同一芯片上集成多個(gè)CMOS開(kāi)關(guān)；多路模擬開(kāi)關(guān)電路：由地址譯碼器和多路模擬開(kāi)關(guān)組成。6.2采樣保持電路■作用：采集某一瞬間的模擬輸入信號(hào)，根據(jù)需要保持并輸出此電壓值?！霾蓸訝顟B(tài)：電路輸出信號(hào)穩(wěn)定地跟蹤模擬輸入信號(hào)?！霰３譅顟B(tài)：電路輸出信號(hào)保持采樣結(jié)束時(shí)刻的瞬時(shí)值?！鲇猛荆褐饕糜诳焖贁?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。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?！霾蹲綍r(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。■

關(guān)斷時(shí)間：從發(fā)出保持指令的時(shí)刻起，直到輸出信號(hào)穩(wěn)定下來(lái)為止所需的時(shí)間。基本組成：

1.模擬開(kāi)關(guān)

2.存儲(chǔ)電容

3.緩沖放大器6.2采樣保持電路6.2.1基本原理當(dāng)Uc=“1”時(shí)，S接通，ui向C充電，輸出跟蹤模擬輸入信號(hào)變化——采樣階段(uo=uc=ui)?！?+N1+∞-+N2+uiuoUcCSuc當(dāng)Uc=“0”時(shí)，S斷開(kāi)，uo保持S斷開(kāi)瞬間的輸入信號(hào)值——保持狀態(tài)(uo保持uc值)。采樣定理：采樣頻率fs

>

2

fmax

采樣間隔Ts<1/

2

fmax通常取fs

=(7~10)fmax

6.2.1基本原理■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。6.2采樣保持電路ui,uouoTsttOOui采樣保持■模擬開(kāi)關(guān)：要求模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻小，漏電流小，極間電容小和切換速度快?！龃鎯?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?！鲞\(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。元件性能要求6.2采樣保持電路6.2.2單片集成采樣保持電路(AD582)將運(yùn)放、NMOS管模擬開(kāi)關(guān)S和與門控制電路DG集成在一塊芯片上(AD582)，其輸出uo送入AD571的輸入端，而AD571的狀態(tài)輸出端與AD582的控制端相連。由AD571的輸出狀態(tài)來(lái)控制AD582開(kāi)關(guān)S的斷和通，使AD582處于保持/采樣狀態(tài)。6.3電壓比較電路■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(lái)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(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。6.3電壓比較電路■作用：鑒別和比較兩個(gè)模擬輸入電壓的大小。當(dāng)ui<UR時(shí)，Uo為高電平“1”；當(dāng)ui>UR時(shí)，Uo為低電平“0”；當(dāng)ui=UR時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)。

Uo=UR-ui

在高低電平變化瞬間，可用“虛短”和“虛斷”進(jìn)行分析，是模擬電路與數(shù)字電路之間聯(lián)系的橋梁。-1+1uiUR#UoUouiui<URui>URoUR

6.3.1電平比較電路(單門限電平)

6.3.1.1差動(dòng)型電平比較電路Uouiui<URui>URoUR

當(dāng)ui<UR時(shí)，Uo為高電平“1”；當(dāng)ui>UR時(shí)，Uo為低電平“0”；當(dāng)ui=UR時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)。

Uo=UR-ui當(dāng)UR=0時(shí)為過(guò)零比較器，又稱鑒零器。如正弦波經(jīng)過(guò)鑒零器后變?yōu)榉讲ā?1+1uiUR#Uo■優(yōu)點(diǎn)：門限電平可變■缺點(diǎn)：振鈴現(xiàn)象6.3.1電平比較電路(單門限電平)

6.3.1.2求和型電平比較電路(門限電平可變)當(dāng)ui<UR時(shí)，Uo為高電平“1”；當(dāng)ui>UR時(shí)，Uo為低電平“0”；當(dāng)ui=UR時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)。

由于干擾信號(hào)un的作用，當(dāng)ui+un=UR時(shí)就產(chǎn)生誤翻轉(zhuǎn)，即“振鈴”現(xiàn)象?！?++uiUoU

R1R2R∑unURuiUo*

6.3.2滯回比較電路(正反饋，兩個(gè)門限電平)UouioU1

U2

設(shè)輸出高低電平分別為UoH、UoL，則兩個(gè)門限電平分別為：滯后電平：Uo-1+1uiUR#R1R2R調(diào)節(jié)R1或R2可調(diào)節(jié)滯后電平，使

稍大于預(yù)計(jì)的干擾信號(hào)un，可消除“振鈴”現(xiàn)象。ui<U1時(shí)Uo=UoH，ui>U2時(shí)Uo=UoL，U1<ui<U2時(shí)不翻轉(zhuǎn)。常作為整形電路。*

6.3.3窗口比較電路(兩個(gè)門限電平)當(dāng)ui<UR2時(shí)，Uo1=“1”，Uo2=“0”，則Uo=“1”；當(dāng)UR2<ui<UR1時(shí)，Uo1=“1”，Uo2=“1”，則Uo=“0”；當(dāng)ui>UR1時(shí)，Uo1=“0”，Uo2=“1”，則Uo=“1”。Uo-1+1uiE#R1R2RP-1+1#VS&Uo1Uo2UR1UR2N1N2UZ判斷ui是否在兩個(gè)電平之間。兩個(gè)門限電平分別為：窗口寬度：UouioUR2

UR1

“1”

“0”

■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)頻率與輸入信號(hào)電壓值成比例，故又稱為壓控振蕩器(VCO)?！鰬?yīng)用：在調(diào)頻、調(diào)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?！鲋笜?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。6.4電壓頻率轉(zhuǎn)換電路

6.4.1V/f轉(zhuǎn)換電路N1R1C——

反相積分器；6.4.1.1通用運(yùn)放V/f轉(zhuǎn)換電路

1.積分復(fù)原式V/f轉(zhuǎn)換電路N2R5~R8——

滯回比較器；V——

積分復(fù)位開(kāi)關(guān)；Vs1——穩(wěn)定門限電平；Vs2Vs3——限制輸出電壓(限幅)。滯回比較器N2同相輸入端的兩個(gè)負(fù)門限電平分別為：uo=+UZ時(shí)，uo=-UZ時(shí)，當(dāng)ui=0時(shí)，uc=0，uo=-Uz，V截止，則門限電平為：Up=U2

uc≤U2時(shí)，uo=Uz，V導(dǎo)通，C通過(guò)R3放電，uc增大，同時(shí)up=U1(突變)——放電過(guò)程，放電時(shí)間為T2當(dāng)ui>0時(shí)，分兩種情況：常數(shù)(非線性項(xiàng))

uc≥U1時(shí)，uo=-Uz，V截止，C通過(guò)R1充電，uc減小，同時(shí)up=U2(突變)

——充電過(guò)程，充電時(shí)間為T1(線性項(xiàng))6.4.1.1通用運(yùn)放V/f轉(zhuǎn)換電路

2.電荷平衡式V/f轉(zhuǎn)換電路ttooucuot0t1N1RC——

反相積分器；N2——

過(guò)零比較器；Is——

恒流源發(fā)生器；單穩(wěn)——

產(chǎn)生窄脈沖。當(dāng)uo=“0”時(shí)，S斷開(kāi)，i向C充電，充電時(shí)間為t1，充電電荷為：ΔQ1=it1；當(dāng)uo=“1”時(shí)，S接通，C放電，放電時(shí)間為t0，放電荷為：ΔQ0

=(Is-i)t0。根據(jù)電荷平衡原理有：設(shè)6.4.1.2集成V/f轉(zhuǎn)換器(LM131/231/331框圖)6.4.1.2集成V/f轉(zhuǎn)換器(LM131/231/331簡(jiǎn)化圖)當(dāng)ui>u6時(shí)，比較器輸出高電平，Q=“1”，V2導(dǎo)通，則Uo=UoL≈0，同時(shí)S閉合(接1)，CL充電，u6增大，Ct充電，u5增大，充電時(shí)間t0，充電電荷：Qx=Ist0=1.9t0/Rs，t0≈1.1RtCt；當(dāng)ui<u6，且u5≥2U/3時(shí)，單穩(wěn)輸出Q=“0”，V2截止，則Uo=UoH≈E，同時(shí)S斷開(kāi)(接地)，CL通過(guò)RL放電，u6減小，Ct通過(guò)芯片內(nèi)放電管V3放電到零，放電時(shí)間t1，放電電荷為：QR=iLt1≈

iLT

≈

uiT/RL。根據(jù)電荷平衡原理有：組成：滯回比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和低通濾波器。6.4.2f/V轉(zhuǎn)換電路

6.4.2.1通用運(yùn)放f/V轉(zhuǎn)換電路N1R3R4——

滯回比較器，輸出方波信號(hào)u1(u1與ui同頻)；N2R1R2V1V2——單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使u2占空比隨fi

升高而增大；N3R12C2——低通濾波器，對(duì)u2求平均。

u1為低電平時(shí)，uN<0，N2輸出高電平，V1V2導(dǎo)通，此時(shí)u2為低電平，即u2=“0”，C放電使up減??；V1截止時(shí)，u2=Um，

u1為高電平時(shí)，uN=UH>0，N2翻轉(zhuǎn)輸出低電平，V1V2截止，此時(shí)u2為高電平，即u2=Um，C充電使up增大，當(dāng)up上升到UH時(shí)，使N2再次翻轉(zhuǎn)“復(fù)位”，單穩(wěn)過(guò)程結(jié)束。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)。對(duì)于幅度和寬度都不規(guī)則的脈沖信號(hào)，只要脈沖的幅度大于單穩(wěn)的觸發(fā)電平，則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可將不規(guī)則的脈沖波形變成幅度和寬度都相同的脈沖波形。低通濾波器輸出：6.4.2f/V轉(zhuǎn)換電路

6.4.2.2集成f/V轉(zhuǎn)換器(LM131/231/331)要求：，，當(dāng)ui無(wú)負(fù)脈沖輸入時(shí)，u6≈U>u7，U1=“0”，Q=“1”，此時(shí)S接地，V2導(dǎo)通，u5=uct=0，U2=“0”；當(dāng)ui有負(fù)脈沖輸入時(shí)，u6<u7，U1=“1”，Q=“0”，此時(shí)S接“1”，Is對(duì)CL充電，V2截止，U通過(guò)Rt對(duì)Ct充電，u5增大，充電時(shí)間t1，充電電荷為：Qs=Ist1=1.9t1/Rs，t1≈1.1RtCt；當(dāng)u5≥U-時(shí)，U2=“1”，此時(shí)u6已回升到u6>u7，U1=“0”，Q=“1”，S接地，CL通過(guò)RL放電，同時(shí)V2導(dǎo)通，Ct經(jīng)V2放電，使u5=uct=0，U2=“0”。放電時(shí)間t2，放電電荷QR=iLt2≈uoTi/RL。根據(jù)電荷平衡原理有：6.5電壓電流轉(zhuǎn)換電路■作用：減小傳輸導(dǎo)線阻抗對(duì)信號(hào)的影響。6.5.1I/V轉(zhuǎn)換電路1.

反相輸入型uo∞-+N+iS

RSR2R1i

■要求:

（1）電流源內(nèi)阻RS很大，減小輸入失調(diào)電壓影響；（2）iS>>Ib——運(yùn)放的輸入偏置電流。6.5.1I/V轉(zhuǎn)換電路*

2.同相輸入型■要求：

R4=R2//R3（R2和R3由i與uo的范圍確定）uo∞-+N+UbR3R1i

R4R2ui■例：

4~20mA→0~10V(作業(yè))

取R1=250Ω，i

=

4~20mA→

ui=1~5V→uo=0~10V

，，，，6.5.1I/V轉(zhuǎn)換電路■例：4~20mA→0~5V

uN=uP=iSRuo∞-+N+RR1iS

R6R2+15VCuPuNR4R5R3RPRfVSUf取，，，調(diào)RP使Uf=7.53V，則uo=312.5426iS-1.250≈

0~5V6.5.2V/I轉(zhuǎn)換電路

6.5.2.1運(yùn)放構(gòu)成的V/I轉(zhuǎn)換電路■要求：R3>>RL

R4>>R7+RL取R1=R2，R3=R4，uN≈uP，則V1∞-+N+uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio6.5.2V/I轉(zhuǎn)換電路■例：0~10V→0~10mA取R1=R2=100kΩ，

R3=R4=20kΩ，

R7=200Ω，

Ub=0，則■例：0~10V→4~20mA取R1=R2=100kΩ，R3=R4=20kΩ，

R7=125Ω，Ub=-2.5V，則V1∞-+N+uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio■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(guò)這個(gè)幅度范圍，數(shù)字輸出就會(huì)發(fā)生變化，能分辨的輸入模擬電壓的最小變化量叫做分辨率。通常用一個(gè)單位分辨率(LSB)

或輸出二進(jìn)制位數(shù)來(lái)表示?！隽炕土炕`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(guò)程稱為量化。通過(guò)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。6.6模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

6.6.1A/D轉(zhuǎn)換器■轉(zhuǎn)換精度：實(shí)際ADC在量化值上與理想ADC量化值的差值，可用絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示。由于實(shí)際ADC的量化值除了含有量化誤差外，還有非線性誤差、使用元件和噪聲等產(chǎn)生誤差?！鲛D(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，轉(zhuǎn)換速率是轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)。轉(zhuǎn)換速率常用采樣速率表示，采樣速率是采樣時(shí)間的倒數(shù)。6.6模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

6.6.1A/D轉(zhuǎn)換器*

A/D轉(zhuǎn)換的三個(gè)階段：采樣、量化和編碼6.6.1A/D轉(zhuǎn)換器6.6.1.1基本原理■采樣：在時(shí)間上離散，用模擬信號(hào)與脈沖序列相乘實(shí)現(xiàn)?！隽炕涸诜瞪想x散，利用四舍五入規(guī)則，用有限個(gè)量化值來(lái)代替采樣值，量化值與采樣值之差稱為量化誤差，最大量化誤差=±LSB/2?！鼍幋a：編碼與量化同時(shí)完成，通常用二進(jìn)制碼表示，即1.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器6.6.1.2A/D轉(zhuǎn)換器工作原理■采樣階段T1：在T1時(shí)間內(nèi)，Ui通過(guò)R向C充電，計(jì)數(shù)器同時(shí)對(duì)時(shí)鐘脈沖開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為N1。采樣階段結(jié)束，計(jì)數(shù)器清零，積分器輸出：T1=N1TC1．雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器■比較階段T2：在T2時(shí)間內(nèi)，UR或(-UR)使積分器反相積分(UR與Ui極性相反)，同時(shí)計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為N2。比較階段結(jié)束，此積分器輸出：UCUi1Ui2oT1T2T2ˊ把T1=N1TC，T2=N2TC代入上式得：

計(jì)數(shù)器記錄的脈沖數(shù)N2表示被測(cè)電壓Ui在T1時(shí)間內(nèi)的平均值Uiav，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。速度慢，抗干擾能力強(qiáng)。2.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器從高位到低位，逐位比較。把比較位置1，其它位置0，將數(shù)字代碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬電壓US，用US與模擬輸入電壓Ui比較，若US>Ui該位置0，若US<Ui該位保留(置1)。速度和精度較高，應(yīng)用廣泛。3.并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器將基準(zhǔn)電壓UR分成相等的2n份，每份為UR/2n，等于最低有效位LSB電壓值，并把UR/2n、2UR/2n、…(2n-1)UR/2n分別加到2n-1個(gè)比較器作參考電壓，而把Ui以并聯(lián)方式加到比較器的同相輸入端，與各自的參考電壓進(jìn)行比較，獲得與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的2n-1個(gè)狀態(tài)送入編碼器，就可完成A/D轉(zhuǎn)換。速度高，分辨率低，功耗大，價(jià)格高。當(dāng)時(shí)，d1=1；當(dāng)時(shí)，d0=1；當(dāng)時(shí)，d0=1，d1=0。4.∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器■

∑-Δ調(diào)制器：A/D轉(zhuǎn)換

Δ——

相鄰采樣點(diǎn)間信號(hào)的幅值之差；■采樣：采樣頻率fs1=1/Δt

>>fs，取fs1=256fs

——過(guò)采樣；■量化：階梯信號(hào)x1(t)≈x(t)，逼近誤差e(t)=x(t)-x1(t)很??；■編碼：x1(t)上升一個(gè)Δ時(shí)，y1(n)=1；x1(t)下降一個(gè)Δ時(shí)，

y1(n)=0；x1(t)不變時(shí)，沒(méi)有y1(n)脈沖。

y1(n)=x(t)-de(t)/dt——1位數(shù)碼數(shù)字信號(hào)