测控电路第六章06信号转换电路(N)

1、第第6章章 信号转换电路信号转换电路 基本要求：基本要求：了解、掌握采样了解、掌握采样/ /保持电路、电压比较保持电路、电压比较 电路、电压频率转换电路和模拟数字转换电路。电路、电压频率转换电路和模拟数字转换电路。重点：重点：采样保持电路；电压比较电路；采样保持电路；电压比较电路；难点：难点：电压频率转换电路。电压频率转换电路。教学内容：教学内容：1、采样保持电路采样保持电路2、电压比较电路电压比较电路3、电压频率转换电路电压频率转换电路4、电、电压电流转换电路压电流转换电路5、模拟数字转换电路模拟数字转换电路 测控电路22022-4-30灵：可以根据信号处理、使用、控制的要求转换成所需形式：

2、电压、电流；幅值、频率；连续信号的离散化；模拟、数字、开关信号等形式。第第6章章 信号转换电路信号转换电路 6.1 6.1 模拟开关模拟开关 模拟开关是一种在数字信号控制下将模拟信号接通或断开的元件或电路。该开关由开关元件和控制（驱动）电路两部分组成。控制电路开关元件第第6章章 信号转换电路信号转换电路 模拟开关的分类n机械触点式：干簧继电器，水银继电器及机械振子继电器等。 动作时间长、体积大第第6章章 信号转换电路信号转换电路 6.1 6.1 模拟开关模拟开关n电子式开关：双极性晶体管、场效应晶体管、光耦合器件及集成模拟开关等。 应用广泛模拟开关的性能参数n静态特性：主要指开关导通和断开时输

3、入端与输出端之间的导通电阻Ron和截止电阻Roff , 还有最大开关电压、最大开关电流和驱动功耗等。6.1 6.1 模拟开关模拟开关第第6章章 信号转换电路信号转换电路 n动态特性：开关动作延迟时间，包括开关导通延迟时间Ton和开关截止延迟时间Toff , 理想模拟开关时Ton0，Toff0数字开关用于传送逻辑电平，主要要求动态特性。SBDGuiuoucRonuiO优点：优点：Roff1013 （一）（一）N沟道增强型沟道增强型MOSFET开关电路开关电路 不足：不足：Ron随随ui增大而增大增大而增大 第第6章章 信号转换电路信号转换电路 6.1 6.1 模拟开关模拟开关（二）（二）CMOS

4、开关电路开关电路 b）Ron- ui特性RonRon(C)Ron(N)Ron(P)uiOuGPuiuouGN+E-Ea）CMOS开关将将P沟道与沟道与N沟道沟道MOSFET并联并联6.1 6.1 模拟开关模拟开关第第6章章 信号转换电路信号转换电路 （三）模拟多路开关电路（三）模拟多路开关电路 输出/输入ABC+E01234567输入/输出-E11-E2逻辑电平转换电路8选1译码电路13141512152416111096873INH S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8巡回采样：8路输入、1路输出 1路输入、8路输出第第6章章 信号转换电路信号转换电路 6.1 6.1 模拟开关模拟

5、开关 数字信号具有抗干扰能力强，便于传输、长期存储、分辨率高、能进行复杂的运算等优点。为了将模拟信号转换成数字信号，首先要进行采样。这种电路用于一切需要对输入信号瞬时采样和存储的场合，最常见的是应用于快速数据采集系统，以保持输入信号在采样过程中不变。当系统有多个模拟信号时，为了采得各通道同一时刻的信息时，则需用多个采样保持器进行同时采样。 采样保持电路是一种时间上离散化的电路。 6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路第第6章章 信号转换电路信号转换电路 6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.2.1 6.2.1 基本原理基本原理n采样保持电路的基本组成：（1）模拟开关（2）模拟信号存储电

6、容（3）缓冲放大器 uoa）S/H电路原理电路原理b）模拟信号采样）模拟信号采样tTs- -+ + +N1- -+ + +uiSUCCtuof(t)OOui, uoUC6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路n对采样保持电路的对采样保持电路的主要要求：主要要求： 精度精度和和速度速度，充充电快、放电慢电快、放电慢n为提高实际电路的为提高实际电路的精度和速度，需同精度和速度，需同时从时从元件元件和和电路电路两两方面着手解决。方面着手解决。- -+ + +N1- -+ + +ui uoSUCC带宽，上升速带宽，上升速率、最大输出率、最大输出电流和漂移电流和漂移输入阻抗、输入阻抗、上升速上升速率、率

7、、漂移漂移导通电阻、导通电阻、截止电截止电阻、阻、延迟时间延迟时间漏电流漏电流6.2.1 6.2.1 基本原理基本原理n采样保持电路的主要性能指标：采样保持电路的主要性能指标：捕捉时间捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，到输出值达：从发出采样指令的时刻起，到输出值达到规定的误差范围以内所需的时间。跟踪性能的到规定的误差范围以内所需的时间。跟踪性能的标志。标志。孔径时间孔径时间：指从发出保持指令的时刻起，到开关真：指从发出保持指令的时刻起，到开关真正断开所需的时间。正断开所需的时间。 切断能力的标志。切断能力的标志。下垂率下垂率：指由于存贮电容的电荷的泄漏所引起的输：指由于存贮电容的电荷的泄漏所引

8、起的输出电压的变化率。出电压的变化率。 n为提高实际电路的精度和速度，需同时从为提高实际电路的精度和速度，需同时从元件元件和和电路电路两方面着手解决。两方面着手解决。6.2.1 6.2.1 基本原理基本原理6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路 电容器的绝缘介质有一定泄漏电阻，要选用泄漏电阻大和介质吸附效应小的电容器，如聚苯乙烯，钽电容和聚碳酸脂电容器等。 C6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.2.1 6.2.1 基本原理基本原理n电容值选择电容值选择电容小：充电快、放电也快，不利于保持电容小：充电快、放电也快，不利于保持电容大：充电慢、放电也慢，不利于跟踪电容大：充电慢、放电也慢，

9、不利于跟踪根据信号频谱选择。根据信号频谱选择。 为使采样输出信号能无失真地复现原输入信号，采样频率必须符合采样定理，即采样频率fs应大于模拟信号最高频率fmax的2倍，一般取 Fs=(5-20)fmax 6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.2.1 6.2.1 基本原理基本原理 单片集成采样保持电路有通用型、高速型、高分辨率型及低下降率型等。 通用型：AD582、LF198等； 高速型： AD781(与AD674接口-P159) C6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.2.2 6.2.2 单片集成采样保持电路单片集成采样保持电路 目前很多目前很多A/DA/D中集成了采样保持电路，如

10、中集成了采样保持电路，如ADS7824ADS7824、MAX122MAX122等。等。 测控电路162022-4-306.3 6.3 电压比较电路电压比较电路 模拟电压比较电路是用来鉴别和比较两个模拟输入电压大小的电路。输入是模拟量，输出是数字量，最简单的一位模数转换器。 运算放大器在开环状态下也可用来比较两个模拟信号，但响应时间较长。专用电路电压比较器。 集成电压比较器由差动输入级、高增益放大级和逻辑电平输出级组成。常用的有高精度通用型如LM111、高速型LM119和LM161、低功耗低失调型LM339等。 测控电路172022-4-306.3 6.3 电压比较电路电压比较电路 6.3.1

11、6.3.1 电平比较电路电平比较电路 （一）差动比较电路-1-1+1+1# #uiUoURuiURa）电压比较器符号）电压比较器符号b）电压比较器特性）电压比较器特性电压比较器是一种电压-开关信号转换器。 测控电路182022-4-306.3 6.3 电压比较电路电压比较电路 6.3.1 6.3.1 电平比较电路电平比较电路 （二）求和比较电路（阈值可变） 优点：阈值可变 缺点：振铃现象12RRUUR -+uiUoUR1R2RURuiun电平比较器的电平比较器的“振铃振铃”现象现象Uo 测控电路192022-4-306.3 6.3 电压比较电路电压比较电路 6.3.2 6.3.2 滞回比较电路

12、滞回比较电路不同方向变化不同阈值不同方向变化不同阈值a) 电路原理图电路原理图b) 传输特性传输特性uiUoU1OU2-1-1+1+1# #uiUoURRR2R1212oL211R1RRRURRRUU212oH211R2RRRURRRUU-1+1#uiUoURRR2R1VS2VS3 滞回电压比较器是一种带正反馈的运算放大器，以提高转换速率，消除振铃现象，可以通过钳位以获得所需电平开关信号。6.3 6.3 电压比较电路电压比较电路 6.3.2 6.3.2 滞回比较电路滞回比较电路 测控电路212022-4-30 6.3.3 6.3.3 窗口比较电路窗口比较电路 单方向多个阈值单方向多个阈值ui“

13、1”“0”O UUR2UR1Uo-1-1+1+1# # & &-1-1+1+1# #uiVSR1RPR2Uo1Uo2UoUZN2N1UR2UR1E6.3 6.3 电压比较电路电压比较电路 测控电路222022-4-306.4 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路6.4.1 V/f 6.4.1 V/f 转换电路转换电路定义：V/f (电压/频率)转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号，即它的输出信号频率与输入信号电压值成比例，故又称为电压控制(压控)振荡器(VCO)。应用：在调频（电压调频），锁相和A/D变换等许多技术领域得到非常广泛的应用。指标：额定工作频率和动态范围，灵敏度或变换系数

14、，非线性误差，灵敏度误差和温度系数等(一）积分复原型 ui越高uC越快达到uP电平，比较器翻转越快V- -+ + +N2- -ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo- -U比较器比较器复原开关复原开关- -+ + +N1R2uiR1C积分器积分器6.4 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路6.4.1 V/f 6.4.1 V/f 转换电路转换电路 测控电路242022-4-30(一）积分复原型 OU1U2uoT1T2tuCU2U1ttOOuP761Z6767RRUUURRRR 762Z6767RRUUURRRR iuUUCRT211121TTi2110)(11uUUCR

15、TfV-+N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比较器比较器复原开关复原开关-+N1R2uiR1C积分器积分器6.4 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路6.4.1 V/f 6.4.1 V/f 转换电路转换电路 测控电路252022-4-30(二）电荷平衡型uo11itQ 0s01QIi tQ 0s11 tiItRtIuitIttf0si0s1011uot1tuCtOOt0- -+ + +N1- -+ + +N2SuiRIS单稳定单稳定时器时器uCiURC（1）线性好；（）线性好；（2）易于集成）易于集成6.4 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路6.4

16、.1 V/f 6.4.1 V/f 转换电路转换电路 测控电路262022-4-30集成f/V转换器无信号输入：无信号输入： U10， U20保持保持Q=0，S1接地接地， V2导通导通uo RS 触发器触发器- -+ +输入输入比较器比较器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U- -+ +定时定时比较器比较器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U- -U7S1S1V1QQui前沿负脉冲：前沿负脉冲： U11， U20置位置位Q=1，S1接通接通， CL充电，充电，V2截止，截止， Ct充电充电, u5=uCtU-=2U /3, U21 , u6U7, U1=0, Q=06.

17、4 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路6.4.2 f/V 6.4.2 f/V 转换电路转换电路集成f/V转换器每输入一个脉冲，每输入一个脉冲，is对对CL充电充电一次充电时间等于一次充电时间等于Ct电压电压uCt从从零上升到零上升到U- =2U/3所需时间。所需时间。 tttt11 . 13lnCRCRt1Ss 1s1.9tQI tRsoRLiiLuQi TTQR1LLottiiss1.92.09t RRuRC fTRR RS 触发器触发器- -+ +输入输入比较器比较器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U- -+ +定时定时比较器比较器RdCdR1R2R2RV2u6U1

18、U2u5U- -U7S1uoS1V1QQ- /(1 e)t TUU6.4 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路6.4.2 f/V 6.4.2 f/V 转换电路转换电路6.5.1 6.5.1 电流电流/ /电压转换电路电压转换电路6.5 6.5 电压电流转换电路电压电流转换电路R1- -+ + +NuoR2Rsisi（一）反相输入型sii 1s1oRiiRu要求电流源is的内阻Rs必须很大， is需远大于运算放大器偏置电流（二）同相输入型R2- -+ + +NuoR1R3R4iui321o1RRiRu6.5.1 6.5.1 电流电流/ /电压转换电路电压转换电路6.5 6.5 电压电流转换电

19、路电压电流转换电路6.5.2 6.5.2 电压电压/ /电流转换电路电流转换电路ioLo311N2RiRRRui313N1uRRRu)(7Lo422P1RRiRRRub422P2URRRubi724oUuRRRiR4R7+RL R4- -+ + +NV2R5R1R3V1R2R6R7uNuPuiUb+ER1=R2，R3=R4 RL6.5 6.5 电压电流转换电路电压电流转换电路 传感器输出的信号多为模拟信号，在以微型计算机为核心组成的数据采集及控制系统中，必须将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，为此要使用模/数转换器（简称A/D转换器或ADC）。相反，经计算机处理后的信号常需送给模拟执行机构等

20、，需要数/模转换器（简称D/A转换器或DAC）将数字量转换成相应的模拟信号。6.6.1 D/A6.6.1 D/A转换器转换器6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路n主要技术指标（1）分辨率 输入数字发生单位数码变化时，所对应输出模拟量的变化量。（2）精度 加给定数字代码时，实际模拟输出量与理论模拟输出量之差。（3）建立时间 输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围（通常为 1/2LSB）所需的时间，是描述D/A转换速率快慢的一个重要参数。 6.6.1 D/A6.6.1 D/A转换器转换器6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路一、D/A转换器的转换特性n数字量值常用二进

21、制数码表示。)222(2211RinRonndddUDUUnnniiUUUUU22112RRR1RFUR 基准量值；基准量值；2-i 相应数码位的加权值。相应数码位的加权值。 6.6.1 D/A6.6.1 D/A转换器转换器6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路12o1in112(222 )nnUU DU dddU1 LSB（最低有效位）量值；（最低有效位）量值；2i 相应数码位的加权值。相应数码位的加权值。 二、D/A转换器结构及原理（一）加权电阻网络电路 niiiiniidRUdRUI1R11 -Ro222R1URUoS2d2dnSn2R4R2n-1RS3d3S1d1R- -+

22、+ +NI1I2I3InIoA电阻值差别太大 R1oo1122niiiU RUI RdR 不好制作、不好集成 6.6.1 D/A6.6.1 D/A转换器转换器6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路（二）T形R-2R电阻网络电路 （1）Ai向右看电阻均为R；（2）Ai向右看电流平分12R11oo112nRi12222nniiU RRUI RdddUdRR URRS1S2S3RA1d1d2d3(MSB)2RI4RI2RI2R2R2RUoRdn-1dn(LSB)1R2nInI2R1R2nI2R2R2RIoSn-1SnR1A2A3An-1An1010101010- -+ + +NR4I8RI

23、nI2R6.6.1 D/A6.6.1 D/A转换器转换器6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路n主要技术指标主要技术指标（1 1）分辨率分辨率 能分辨的输入模拟电压的最小变化量，常以输出二进制位数或BCD码位数表示。（2 2）量化误差量化误差 通过量化将连续量转换成离散量所产生的误差称为量化误差，在采用四舍五入时最大误差可达到1LSB的 1/2，不采用时它等于1LSB。 6.6.2 A/D6.6.2 A/D转换器转换器6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路（3 3）转换精度转换精度 用绝对误差或相对误差反映转换精度。一般用非线性误差、零点误差、满量程误差等指标表示精度指标，

24、但其中不包括量化误差。 （4 4）转换时间）转换时间 完成一次从模拟到数字的转换所需要的时间。转换速率是转换时间的倒数。也常见用采样速率反映A/D转换器的转换速率。采样速率是采样时间的倒数，常用单位是Sps(Samples per second)。6.6.2 A/D6.6.2 A/D转换器转换器6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路a) 采样采样b) 量化量化 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 对应编码对应编码 1F2F3F4F5F

25、6F7F8F6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路6.6.2 A/D6.6.2 A/D转换器转换器6.6.2 A/D转换器( (一）一）双积分式双积分式A/D转换器转换器 # #- -1 1+1+1电子电子开关开关计数器计数器控制逻辑控制逻辑数据输出数据输出标准时钟标准时钟RCUiUR- -URUC- -+ + +NUCUi1Ui2T1tO2T2T-UR-UR(1）Ui在T1内定时充电 1iavT0i1C1d1)(1TURCtURCTU6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路01)(d1)(2R1CT0R1C2C2TURCTUtURCTUTUiavR12UUTT iavR12

26、UUNN ( (一）一）双积分式双积分式A/D转换器转换器 (2(2）根据）根据UC( (T1) )极性选择极性选择UR或或- -UR反向反向充电至零电位充电至零电位 (3(3）根据）根据反向反向充电时间充电时间T2确定确定Ui。抗干扰性能好，速度慢。抗干扰性能好，速度慢。6.6.2 A/D转换器6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路6.6.2 A/D转换电路( (二）二）逐次逼近式逐次逼近式 A/D转换器转换器 iSUU比较器比较器D/A转换器转换器 逐次逼近逐次逼近 寄寄 存存 器器逻辑控制逻辑控制电电 路路输出缓冲器输出缓冲器输出允许输出允许转换结束转换结束启启动动 时钟时钟U

27、iUsDn-1D0最高位开始逐位置“1” ，该位置“0” ，该位保留“1”iSUU6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路5位位A/D转换，满量程转换，满量程31V, 输入电压输入电压Ui= 14.7V( (二）二）逐次逼近式逐次逼近式 A/D转换器转换器 次数次数比较前码比较前码 代表电压代表电压Us比较结果比较结果比较后码比较后码11000016ViSUU000006.6.2 A/D转换电路6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路5位位A/D转换，满量程转换，满量程31V, 输入电压输入电压Ui=14.7V( (二）二）逐次逼近式逐次逼近式 A/D转换器转换器 iSUU次数次数比较前码比较前码