《信号转换技术》PPT课件.ppt

1 HarbinEngineeringUniversity 第八章信号转换技术 模拟开关采样 保持器电压比较器D A和A D转换电路信号自动检测与转换电路设计 2 本章重点 模拟开关芯片使用 窗口比较器设计 采样频率的求取 A D转换原理及应用 A D转换电路及与单片机接口电路时序分析 本章难点 A D转换电路原理及与单片机接口电路 3 将现场物理量变换为电信号 抑制干扰 保证A D转换精度 实现多选一 将输入信号放大到A D可接受的范围 保持 保证A D精度 核心 实现A到D的转换 进行地址译码 产生片旋信号和写信号 4 设计要求 设计一个多点应力自动巡回检测与转换电路 包括 应变电阻 直流电桥 信号放大电路 8选1多路模拟开关 A D转换芯片AD1674 接口逻辑电路 89C52单片机 适当电阻 电容 数码管显示 5 8 1模拟开关 作用 在多路被测信号共用一个A D转换器的数据采集系统中 将多路被测信号分别传送到A D转换器进行转换 机电式 电子模拟式 类型 用于大电流 高电压 低速切换 用于小电流 低电压 高速切换 6 双极性晶体管开关 场效应晶体管开关 电子式类型 结型场效应管 JFET 绝缘栅型 MOS FET 集成电路开关 CMOS 为主 干簧继电器 水银继电器 机械式类型 机械振子继电器 7 一双极型晶体管模拟开关 晶体管有三种工作状态 发射结正偏 集电结反偏 放大状态 两个结都正偏 饱和导通 两个结都反偏 截止状态 两个结都正偏 饱和导通 等效为饱和压降与导通电阻串联 二者较小 相当于模拟开关导通 两个结都反偏 截止状态 等效为断开电阻与漏电流并联 断开电阻很高 漏电流很小 相当于模拟开关断开 8 正向运行 反向运行 正向运行电流放大倍数 反向运行电流放大倍数 简单的NPN型晶体管模拟开关 正接状态 深度饱和条件 9 反接状态 理论和实践证明 反接状态时饱和压降比正接时要小 因此晶体管反接时精度较高 电路存在问题 深度饱和状态导致基极电流过大 该电流流入 流出 信号源会引起误差 10 一般双极型晶体管开关电路 切换信号 倒接开关 驱动级 逻辑控制电平 控制电压 控制电压 11 解决方案 PNP和NPN管互补连接 电路优点 流入流出信号源的基极电流相互抵消 对信号源内阻要求不高 电路注意问题 需要双极性控制信号 12 互补型双极型晶体管开关电路 13 二结型场效应管 JFET 模拟开关 N沟道耗尽型JFET工作示意图 当时 开关导通 当时 开关截止 UGS 0 UP UGS 0 UGS UP 源极 漏极 栅源 UGS 0 导电沟道 14 JFET截止条件 JFET导通条件 加速电容 N沟道耗尽型JFET导通 截止条件 15 不考虑二极管正向压降UD 电路存在问题 Uc由数字逻辑电路提供 其高 低电平有时不能满足截止和导通条件 16 解决方案 电平移动电路 导通条件 截止条件 17 优点 开关切换速度快 导通电阻小 且随信号电压变化波动小 易于和驱动电路集成 三绝缘栅场效应管 MOS JFET 模拟开关 反相器 反相器 NMOS PMOS 互补型CMOS 18 四集成电路型模拟开关 CMOS型 电平移位电路 译码器 多路开关制造在一个芯片上 控制输入 地 逻辑电平 电平移位电源 禁止端 公共输入 输出端 输入 输出端 正电源 CD4051 19 CD4051内部逻辑结构 20 CD4051真值表 21 多路模拟开关技术指标 RON 导通电阻 RONVS 导通电阻温度漂移 IC 开关接通电流 IS 开关断开时的泄漏电流 CS 开关断开时 开关对地电容 COUT 开关断开时 输出端对地电容 tON 选通信号EN达到50 这点时 开关接通的延时时间 tOFF 选通信号EN达到50 这点时 开关断开的延时时间 tOPEN 开关切换时间 22 CD4051性能参数 tON 0 8微秒 tOFF 0 8微秒 tOPEN 1 6微秒 VDD Vi 23 CD4051输入电压 电源电压 数字控制信号关系 可传输峰 峰值达15V的交流信号当供电电源VDD 5V VSS 0V 当VEE 0V时 则施加0 5V的数字控制信号 可控制幅度范围为0V 5V的模拟信号当供电电源VDD 5V VSS 0V 当VEE 5V时 则施加0 5V的数字控制信号 可控制幅度范围为 5V 5V的模拟信号 当供电电源VDD 5V VSS 0V 当VEE 8V时 则施加0 5V的数字控制信号 可控制幅度范围为 8V 5V的模拟信号 VEE就是电子开关的8个输入端可以允许的信号范围下限 注意 不要超过它的极限参数 峰 峰值达15V 24 五模拟开关的配置 1 单端接法 把所有输入信号源的一端接至同一信号地 另一端各自接至多路开关的相应输入端 UO UO 模拟地 模拟地 信号地 a b 优点 能使用系统的全部通道 缺点 抗共模干扰能力差 25 2 双端接法 把所有输入信号源的两端各自分别接至多路开关的输入端 UO 优点 抗共模干扰能力强 缺点 只能使用系统的一半通道 注意 当信号源的信噪比较小时 必须使用此接法 26 六模拟开关在检测系统中的应用 应用1 应用在数据采集系统中 27 应用2 应用在数据分配系统中 28 应用3 应用在差动放大器中 29 七模拟开关应用举例 设计一个8点应力自动巡回检测与转换电路 包括 应变电阻 直流电桥 信号放大电路 8选1多路模拟开关 A D转换芯片AD1674 接口逻辑电路 89C52单片机 适当电阻 电容 数码管显示 30 已知 应变电阻初始电阻为100欧 灵敏度K 2 5 测量应变范围 0 004至 0 004 信号变化最高频率为5KHz 直流电桥采用单臂电桥 供电电源为5V 信号放大电路采用测量放大器 共模抑制比大于60dB 信号放大后 输出电压范围为伏级 8选1多路模拟开关采用单端接法 设计 应变电阻直流电桥测量电路信号放大电路 每级放大不超过20dB选择合适的多路模拟开关电路 满足每个采样周期采10个点 31 应变电阻直流电桥 测量放大器10倍 同相放大器10倍 电压跟随 AD 32 测量信号模拟 多路模拟开关 33 8 2采样 保持电路 34 采样状态 保持状态 一工作原理 35 采样 保持器构成 采样 保持器工作原理 采样时 在保持期间 36 二基本电路 采样 保持电路的基本结构有串联型和反馈型两种 串联型 Uc 37 反馈型 38 三采样 保持器的参数 1 捕捉时间 当发出采样命令后 采样 保持电路输出从原来所保持的值 到达当前输入信号的值所需的时间 称为捕捉时间 39 2 孔径时间 由于模拟开关有一定的动作滞后 从发出保持指令开始到模拟开关完全断开 电路进入保持状态 输出停止跟踪输入所经历的这段时间称孔径时间tAP 40 3 保持电压的衰减率 在信号保持期间 由于泄露电流的存在 将引起保持电压的衰减 衰减速率 decayrate 用下式计算 式中 I 包括运放偏置电流 开关断开漏电流和保持电容内部泄露电流等 C 保持电容的电容量 41 四应用方法 1 采样频率的选择 采样频率的选择与信号的截止频率fc有关采样频率可以根据采样定理确定 已知 应变电阻初始电阻为100欧 灵敏度K 2 5 测量应变范围 0 004至 0 004 信号变化最高频率为5KHz 捕捉时间 模拟开关稳定时间 AD转换时间 42 信号变化最高频率为5KHz 则采样频率为 假设每个采样周期采10个点 则每个采样点的采样周期为 则采样周期为 43 则切换频率为 CD4051切换频率为 44 采样 保持器的分类 通用型AD582 AD583 AD585模拟器件公司LF198 LF298 LF398国家半导体器件公司高分辨率型SHAll44 SHA6 AD389模拟器件公司高速型ADSHM 5 HIC 0500模拟器件公司HTS 0025 THC 1500模拟器件公司超高速型HTC 0300 压摆率250V s 模拟器件公司THS 0010 压摆率300V s 2 采样 保持器集成芯片 45 单个采样保持芯片LF398 LF398集成采样 保持器原理电路 1脚 V 2脚 接1K电阻 调节漂移电压 3脚 VIN4脚 V 5脚 VOUT 6脚 接保持电容CH 7脚和8脚是两个控制端 控制开关的通断 7脚接参考电压 一般接地8脚接控制信号 LF398属于反馈型采样 保持器 46 分辨率12位 快速逐次逼近式 转换时间为10 s 内部集成时钟 基准电压电路以及采样保持放大器 有与8位 16位微处理器兼容的接口 三态输出锁存 单级性和双级性输入 模拟输入电压范围0至10 0至20V 5V和 10V 集成到AD芯片中的采样保持器 AD1674 采样频率为100kHz 47 电压比较器的功能是对两个输入电压的大小进行比较 并根据比较结果输出高 低两个电平 8 3电压比较器 原理图 理想输入输出关系 48 电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路 它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较 并将比较的结果输出 比较器的输出只有两种可能的状态 高电平或低电平 为数字量 而输入信号是连续变化的模拟量 因此比较器可作为模拟电路和数字电路的 接口 49 非线性应用的条件 运放开环或施加正反馈 一理想集成运放非线性应用特点 非线性应用特点 此时 两输入端 虚短路 的概念不再适用 50 1 反相电压比较器 输入信号ui加在反相端 参考电压ur加在同相端 二电压比较器 uiur uo UOL 当该电路的参考电压为零时 则为反相过零比较器 0 51 2 同相电压比较器输入信号ui加在同相端 参考电压ur加在反相端 0 uiur uo UOH 当参考电压为零时 则为同相过零比较器 52 若ui 5sin tVur 2V UCC 12V 试画出反相和同相比较器的输出波形 53 例 将不规则的输入波形整形成规则的矩形波 例 若ur为三角波 而ui为缓变信号 实现脉宽调制 反相比较器 反相过零比较器 54 忽略了正向压降UF 用稳压管稳定输出电压 55 3 迟滞比较器 简单比较器应用中存在的问题 输出电压转换时间受运放的限制 使高频脉冲的边缘不够陡峭 抗干扰能力差 在比较门限处 输出将产生多次跳变 56 迟滞比较器分类 反相迟滞比较器 下行 同相迟滞比较器 上行 57 反相迟滞比较器 58 U H上门限电压U L下门限电压U H U L称为回差 传输特性 59 例 设输入为正弦波 画出输出的波形 假设开始时UO为UOM 60 上下限 用叠加定理 加上参考电压后的迟滞比较器 61 R1 10k R2 20k UOM 12V UR 9V当输入ui为如图所示的波形时 画出输出uo的波形 上下限 10V 2V 例题 2V 10V 62 2V 10V t t 63 滞回比较器可以组成矩形波 锯齿波等非正弦信号发生电路 也可以实现波形变换 与单限比较器相比 滞回比较器的主要优点是抗干扰能力强 波形示意图如右所示 滞回比较器的主要优点 64 干扰太大 滞回功能会失效 65 迟滞比较器 下行 两种电路传输特性的比较 66 同相迟滞比较器 请同学们自己思考 此比较器的上下门限电压此比较器的传输特性曲线加上参考电压后的迟滞比较器上下门限电压 67 正确画出电压传输特性具备的三要素 注意 68 4 窗口比较器 双限比较器 原理图 输入输出关系 其中 UA UB 注意 连接 69 当UI UB时 下台阶 上台阶 UOA2 UOA1 当UI UA时 UB UI UA 70 例 试设计一个窗口比较器 当输入信号在 8V至 7V之间时 给出 1 电平 当输入信号超出这一范围时 给出 0 电平 uO 0 uI V 8 7 71 移相电路 移相前 90度移相后 过零比较器输出 三电压比较器应用 72 解调电路 73 模 数转换 A D转换 将模拟信号转换为数字信号 实现A D转换的电路称为A D转换器 简写为ADC Analog DigitalConverter 数 模转换 D A转换 将数字信号转换为模拟信号 实现D A转换的电路称为D A转换器 简写为DAC Digital AnalogConverter 8 4D A A D转换电路 74 假如 对于0至5V的直流电压 计算机用8位数字量来描述时 最小值 00000000 B 0对应0V最大值 11111111 B 255对应5V中间值 01111111 B 127对应2 5V思考 D A的输入是数字量 输出是模拟量 那么对于单极性输出电压 D A的输入输出关系是什么 对于双极性输出电压 D A的输入输出关系是什么 8 4 1D A转换器 将数字信号转换为模拟信号的电路 75 电阻网络 模拟电子开关 求和放大器 参考电压 一权电阻网络D A转换器 76 n位权电阻网络D A转换器 当反馈电阻取为R 2时 输出电压的计算公式 优缺点 1 优点 简单2 缺点 电阻值相差大 难于保证精度 且大电阻不宜于集成在IC内部 77 二倒T形电阻网络D A转换器 电阻网络 模拟电子开关 求和放大器 78 由于V V 0 所以开关S合到哪一边 都相当于接到了 地 电位 流过每条电路的电流始终不变 可等效为 79 80 n位输入的倒T形电阻网络D A转换器 当反馈电阻取为R时 单极性输出电压的计算公式 优点 1 只有R和2R两种阻值的电阻 可达到较高的精度 2 各支路电流恒定不变 在开关状态变化时 不需电流建立时间 所以电路转换速度高 使用广泛 思考 当数字输入为11111111 参考电压为5V时 D A单极性输出电压是多少 81 三具有双极性输出的DAC例 输入为3位二进制补码 最高位为符号位 正数为0 负数为1 将符号位反相后接至高位输入 将输出偏移使输入为100时 输出为0 1 82 单极性输出电压的计算公式 双极性输出电压的计算公式 思考 当数字输入为11111111 参考电压为5V时 D A双极性输出电压是多少 83 四技术指标分辨率 理论精度 指单位数字量的变化所引起的模拟量的变化 2 转换误差 实际精度 用最低有效位的倍数来表示有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示如 转换误差为0 5LSB 表示输出模拟电压的绝对误差等于当输入数字量的LSB 1时 其余各位均为0时输出模拟电压的一半 84 一A D转换的一般步骤A D转换过程为 采样 保持 量化和编码 采样 对模拟信号进行周期性的抽取采样值的过程 就是把时间连续变化的信号转换成在时间上连续 在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲 8 4 2A D转换器 85 保持 将采样到的模拟量值保持下来量化 用基本的量化电平的整数倍来表示采样保持的模拟电压值 编码 把已经量化的模拟数值用二进制编码表示出来 图ADC的组成部分 86 反馈比较型 逐次比较型A D转换器 其工作原理可用天平秤重作比喻 若有四个砝码共重15克 每个重量分别为8 4 2 1克 设待秤重量Wx 13克 可以用下表步骤来秤量 二直接A D转换器 87 88 三间接A D转换器 双积分型 又称为电压 时间变换型 V T变换型 89 首先使积分电容C完全放电 固定时间积分 反方向积分 第一步 对输入模拟电压进行固定时间T1积分 第二步 对基准电压进行反向积分 使电容放电 放光为止 即vo 0 对反向放电时间计数 它与输入幅度成正比 90 四A D转换器应用 AD0809 输入 8路 0V 5V 线性误差 1LSB数字输出 TTL电平 三态输出电源 5V 15V时钟频率 640KHz 典型 转换时间 100 s分辨率 8位功耗 15mW输入电压范围 0V VREF转换方式 逐次逼近CMOS工艺 28Pin输出 91 A D转换器应用 地址译码与锁存 8路模拟开关器 8路模拟输入信号选择哪一路进行转换 要靠多路选择器来完成 例 ADDC 1ADDB 1ADDA 0的情况 1101 IN6 逐次比较寄存器 8位逐次比较寄存器共可记录28 256种不用状态 树状开关 开关树输出UREF也有256个参考电压 将UREF送入比较器与输入模拟电压uI进行比较 92 start clock 输出允许 1 输入信号 转换结束 1 输出 地址锁存 输入信号 500KHz 1MHz 启动 高电平脉冲 输入 93 94 A D转换结果的读取方式 第一种方式 程序查询方式 在启动A D后 程序不断读取A D转换结束信号EOC 若检测到有效信号 则可读取数据 第二种方式 中断方式 把A D转换器送出的转换结束信号EOC