測控電路（第7版）課件：信號轉(zhuǎn)換電路

信號轉(zhuǎn)換電路7.1模擬開關(guān)7.2采樣保持電路7.3電壓比較電路7.4電壓頻率轉(zhuǎn)換電路7.5電壓電流轉(zhuǎn)換電路7.6模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路本章知識點通過常用器件構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路的工作原理以常用的集成轉(zhuǎn)換器件介紹其基本應(yīng)用轉(zhuǎn)換電路的性能參數(shù)或誤差源分析信號轉(zhuǎn)換電路信號轉(zhuǎn)換電路用于將各類型的信號進行相互轉(zhuǎn)換，使具有不同輸入、輸出的器件與電路可以聯(lián)用。在進行信號轉(zhuǎn)換時，需要考慮以下兩個問題：①轉(zhuǎn)換電路應(yīng)具有所需特性；②要求信號轉(zhuǎn)換電路具有一定的輸入阻抗和輸出阻抗以與之相聯(lián)的器件或電路阻抗匹配。7.1模擬開關(guān)7.1.1模擬開關(guān)及其主要參數(shù)7.1.2增強型MOSFET開關(guān)電路7.1.3模擬開關(guān)誤差源分析7.1.3集成模擬開關(guān)7.1.4模擬多路開關(guān)電路模擬開關(guān)是在電路中用于實現(xiàn)模擬信號通與斷的電子開關(guān)器件，它的作用類似于機械式轉(zhuǎn)換開關(guān)，信號電流從輸入端流到輸出端，其信號傳送方向可以是雙向的.模擬開關(guān)通常有三個端子：控制端C、信號輸入端I及輸出端O。I/O可以互換的為“雙向開關(guān)”。常用的模擬開關(guān)元件包括二極管開關(guān)、雙極型晶體管開關(guān)、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）開關(guān)、MOS型場效應(yīng)晶體管（MOSFET）開關(guān)等7.1模擬開關(guān)7.1.1 模擬開關(guān)及其主要參數(shù)導(dǎo)通電阻Ron是指開關(guān)閉合時所呈現(xiàn)的電阻截止電阻Roff是指開關(guān)關(guān)斷時所呈現(xiàn)的電阻，它主要由于漏電所致；電荷注入是指與構(gòu)成模擬開關(guān)的NMOS和PMOS管相伴的雜散電容引起的一種電荷變化，是開關(guān)過程中模擬開關(guān)的寄生電容失配及其對輸出信號完整性影響的函數(shù)；延遲時間是指控制信號改變時對應(yīng)產(chǎn)生的輸出延遲時間，包括開關(guān)導(dǎo)通延遲時間和開關(guān)截止延遲時間，由模擬開關(guān)的寄生電容所致。7.1.2增強型MOSFET開關(guān)電路N溝道增強型MOSFET開關(guān)電路N溝道管導(dǎo)通的條件缺點：Ron隨ui增大而增大CMOS開關(guān)電路P溝道增強型MOSFET的襯底接+E，外加?xùn)艠O控制電壓與N溝道增強型MOSFET相反，當(dāng)控制電壓uGN=+E、uGP=-E時，二管均導(dǎo)通；當(dāng)uGN=-E、uGP=+E時，二管均截止。7.1.2增強型MOSFET開關(guān)電路7.1.3模擬開關(guān)誤差源分析實際的模擬開關(guān)存在導(dǎo)通電阻Ron、漏電流ILKG、結(jié)電容CS、CDS和CD等多種誤差源，會影響其直流和交流性能。1、CMOS開關(guān)直流特性在開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下，受導(dǎo)通電阻和漏電流的影響，漏電流流過Ron+RG和RL的并聯(lián)等效電阻，輸出電壓為：在開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)下，漏電流流過負載電阻，產(chǎn)生一個電壓：uo=ILKG×RL。2、CMOS開關(guān)交流特性在導(dǎo)通狀態(tài)下，該電路的傳遞函數(shù)為：開關(guān)的極點影響電路的帶寬，為了使帶寬最大化，開關(guān)應(yīng)具有低輸入電容、低輸出電容和低導(dǎo)通電阻。在關(guān)斷狀態(tài)下CDS會把輸入信號耦合至輸出端，導(dǎo)致開關(guān)隔離性能劣化，關(guān)斷隔離度隨輸入頻率增大而下降。就此誤差源而言，解決方法是選擇CDS盡量小的開關(guān)。構(gòu)成CMOS開關(guān)的P溝道和N溝道的柵漏分布電容的失配，形成所謂的等效柵漏電容CQCMOS開關(guān)的控制端在開、關(guān)控制期間對柵漏極電容CQ注入電荷，這將導(dǎo)致輸出電壓的階躍變化，其大小與CQ和負載電容CL有關(guān)。2、CMOS開關(guān)交流特性7.1.4集成模擬開關(guān)C544、CD4066均為單片集成CMOS四模擬開關(guān)電路7.1.5模擬多路開關(guān)電路7.2采樣保持電路7.2.1基本原理7.2.2單片集成采樣保持電路7.2.1基本原理采樣保持電路的基本組成：模擬開關(guān)模擬信號存儲電容緩沖放大器

uoa）S/H電路原理b）模擬信號采樣tTs∞-++N1∞-++uiSUCCtuof(t)OOui,uoUC7.2.2單片集成采樣保持電路采樣保持電路的主要性能指標(biāo)捕捉時間TAC：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。TAC大則跟蹤性能差?？讖綍r間TAP：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。TAP大則電路保持性能差。孔徑誤差：實際保持值與期望值存在的差異。7.3電壓比較電路7.3.1電平比較器7.3.2電壓比較器特性指標(biāo) 7.3.3滯回比較電路 7.3.4窗口比較電路7.3.5多閾值比較器閾值電壓：輸出電壓從一個電平跳變到另一個電平所對應(yīng)的輸入電壓值，用UT表示比較器分類單限比較器：只有一個閾值電壓若閾值電壓為0則稱為過零比較器滯回比較器7.3電壓比較電路電壓比較器是一種電壓-開關(guān)信號轉(zhuǎn)換器。輸出電壓翻轉(zhuǎn)7.3.1電平比較器單限比較器:運放處于開環(huán)狀態(tài)，沒有負反饋，uN不能跟隨uP變化閾值電壓：輸出電壓翻轉(zhuǎn)求和比較電路：閾值可變閾值電壓不僅與UR有關(guān)，而且與電阻R1與R2的比值有關(guān)，這給閾值電壓的選擇帶來靈活性?！?++uiUoURR1R2RΣ7.3.1電平比較器輸出鉗位：輸出所要求的邏輯電平雙向穩(wěn)壓管用于輸出鉗位7.3.1電平比較器輸出鉗位：輸出所要求的邏輯電平雙向穩(wěn)壓管用于輸出鉗位二極管實現(xiàn)鉗位7.3.1電平比較器7.3.2電壓比較器特性指標(biāo)響應(yīng)時間：反映了電壓比較器響應(yīng)的速率，定義在輸入加一階躍信號輸出完成輸出轉(zhuǎn)換的50%所需要的時間（tPD）直流參數(shù)對門限電平的影響電壓比較器的失調(diào)電壓和偏置電流會使得輸入門限電平發(fā)生偏移Δu=Uos+INRN–IPRP簡單比較器應(yīng)用中存在的問題輸出電壓轉(zhuǎn)換時間受運放的限制，使高頻脈沖的邊緣不夠陡峭抗干擾能力差。在比較門限處，輸出將產(chǎn)生多次跳變7.3.3滯回比較器從電路的輸出端至運算放大器同相輸入端之間引入一個正反饋，構(gòu)成遲滯比較器7.3.3滯回比較器a)電路原理圖b)傳輸特性uiuoU1OU2-1+1#uiuoURRR1R2閾值電壓為：a)電路原理圖-1+1#uiuoURRR1R2兩個閾值7.3.4窗口比較器雙閾值比較器7.3.5多閾值比較器7.4電壓頻率轉(zhuǎn)換電路7.4.1V/f轉(zhuǎn)換器7.4.2f/V轉(zhuǎn)換器7.4.1V/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(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7.4.1V/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V∞-++N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比較器復(fù)原開關(guān)∞-++N1R2uiR1C積分器積分復(fù)原型電荷平衡型uouot1tuCtOOt0∞-++N1∞-++N2SuiRIS單穩(wěn)定時器uCiURC（1）線性好；（2）易于集成7.4.1V/f轉(zhuǎn)換電路7.4.2f/V轉(zhuǎn)換電路集成f/V轉(zhuǎn)換器

RS

觸發(fā)器-+輸入比較器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U-+定時比較器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U-U7S1S1V1QQ7.5電壓電流轉(zhuǎn)換電路7.5.1電流/電壓轉(zhuǎn)換電路7.5.2電壓/電流轉(zhuǎn)換電路7.5.1電流/電壓轉(zhuǎn)換電路電流－電壓變換器（CVC）又稱為跨阻放大器（TransimpedanceAmplifiers，TIA）用來將電流信號變換為成正比的電壓信號?？勺鳛槲㈦娏鳒y量裝置來測量漏電流；在使用光敏電阻、光電池等恒電流傳感器的場合，是一個常見的光檢測電路；理想的V/I轉(zhuǎn)換：7.5.1電流/電壓轉(zhuǎn)換電路反相輸入型：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，通常IB的數(shù)值應(yīng)比被測電流is低1～2個數(shù)量級以上R1∞-++NuoR2Rsisi7.5.1電流/電壓轉(zhuǎn)換電路同相輸入型R2∞-++NuoR1R3R4iui為減小運放偏置電流的誤差由于采用同相端輸入，電路中應(yīng)選用共模抑制比較高的運放對微弱電流的反相輸入型反饋電阻要選用高值電阻：如輸入電流為10nA、轉(zhuǎn)換為1V電壓時，RF=100MΩ，如此大的電阻很難滿足對其穩(wěn)定性和高精度的要求。解決辦法：T形網(wǎng)絡(luò)電路替換反饋電阻7.5.1電流/電壓轉(zhuǎn)換電路取R1=1M

，R2=1k

，R3=99k

，就可近似于RF=100MΩ的效果。V/I轉(zhuǎn)換器的作用是將電壓轉(zhuǎn)換為電流信號，它不僅要求輸出電流與輸入電壓具有線性關(guān)系，而且要求輸出電流隨