第六章-信号转换电路

1、中国计量学院中国计量学院第六章第六章 信号转换电路信号转换电路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电压电流转换电路电压电流转换电路4模数转换电路模数转换电路5模拟开关模拟开关1中国计量学院中国计量学院6.1 模拟开关模拟开关从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：从自然界物理量到电量的转换从自然界物理量到电量的转换电量之间的转换电量之间的转换从电量到物理量的转换从电量到物理量的转换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

2、分组成。电路。该开关由开关元件和控制（驱动）电路两部分组成。它是构成它是构成S/H电路关键器件之一。电路关键器件之一。控制电路控制电路开关元件开关元件模拟开关模拟开关机械触点式机械触点式干簧继电器干簧继电器水银继电器水银继电器机械振子式继电器机械振子式继电器电子式电子式二极管二极管双极型晶体管双极型晶体管场效应管场效应管集成模拟开关集成模拟开关主要是主要是MOSFET构成的模拟开关构成的模拟开关中国计量学院中国计量学院（一）增强型（一）增强型MOSFET构成的模拟开关构成的模拟开关1、N沟道增强型沟道增强型MOSFET开关电路开关电路a）吸电流形式）吸电流形式b）拉电流形式）拉电流形式 uiR

3、on O N沟道沟道MOSFET的的Ronui特性曲线特性曲线 ui0，uT为开启电压。为开启电压。uGS= uc ui中国计量学院中国计量学院2. CMOS开关电路开关电路 ui uo uGP uGN +E -E o Ron Ron(C) Ron(N) Ron(P) ui a) b) uGN为高电平，为高电平，uGP为低电平，二管导通，为低电平，二管导通，反之反之 uGN为低电平，为低电平，uGP为高电平，二管截止。为高电平，二管截止。 N、P沟道的曲线变化互补，所以等效电阻特别平坦，好。沟道的曲线变化互补，所以等效电阻特别平坦，好。例：例：CD4066 四双向模拟开关四双向模拟开关中国计量

4、学院中国计量学院4066管脚信息管脚信息（二）多路模拟开关（二）多路模拟开关 逻辑电平转换电路逻辑电平转换电路图图6-5 CD4051原理图原理图组成：组成：译码器译码器+多路双向模拟开关多路双向模拟开关 中国计量学院中国计量学院6.2 采样保持电路采样保持电路采样保持电路是把不断变化的模拟信号，在某一瞬间的值采样保持电路是把不断变化的模拟信号，在某一瞬间的值保持下来。保持下来。捕捉时间捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，直到输出信号稳定地跟踪上：从发出采样指令的时刻起，直到输出信号稳定地跟踪上 输入信号为止，所需的时间定义为捕捉时间输入信号为止，所需的时间定义为捕捉时间关断时间关断时间：从发出

5、保持指令地时刻起，直到输出信号稳定下来为止，：从发出保持指令地时刻起，直到输出信号稳定下来为止，所需的时间定义为关断时间。所需的时间定义为关断时间。 捕捉时间长，电路的跟踪特性差，关断时间长，电路的保持特性捕捉时间长，电路的跟踪特性差，关断时间长，电路的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。不好，它们限制了电路的工作速度。保持期保持期(t (t0 0为发出保持命令的时刻为发出保持命令的时刻) )( ( ) )( ( ) ) = = 00tutuuii采样期采样期中国计量学院中国计量学院一、基本原理一、基本原理采样保持电路的基本组成：采样保持电路的基本组成： 模拟开关模拟开关 模拟信号存储电容

6、模拟信号存储电容 输入、输出缓冲放大器输入、输出缓冲放大器开关控制开关控制uiSC采样信号采样信号S接通时，输出信号跟踪输入信号，称接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶段采样阶段，S断开时，电容断开时，电容C两端一直保持断开前的电压，称两端一直保持断开前的电压，称保持阶段保持阶段。中国计量学院中国计量学院实际电路见下图：实际电路见下图：uc为高电平，开关为高电平，开关S接通，采样阶段接通，采样阶段uc为低电平，开关为低电平，开关S断开，保持阶段断开，保持阶段 O t Ts ui ,uo O t uo f(t) fs(t) 采样时间间隔采样时间间隔Ts愈短，波形愈准确。愈短，波形愈准确。中国计

7、量学院中国计量学院二、采样定理二、采样定理采样定义：依据采样定义：依据采样定理采样定理按照一定的时间间隔从连续的模拟信号中按照一定的时间间隔从连续的模拟信号中抽取一系列的时间离散样值。抽取一系列的时间离散样值。采样频率：采样频率：Tfs1=模拟信号最大频率为模拟信号最大频率为fmaxfs2fmax这就是采样定理这就是采样定理在实际工作中，在实际工作中， fs10fmax，我们原来的波形才不失真。，我们原来的波形才不失真。在频域里面看看采样定理：在频域里面看看采样定理：f O fmin fmax a) F(f) a）图为输入信号的频谱）图为输入信号的频谱b) E0 E1 E2 O fs 2fs

8、f Fs(f) 采样后所获得的信号是模拟信采样后所获得的信号是模拟信号号f(t)与采样脉冲与采样脉冲fs(t)相乘的结果，相乘的结果，同时周期性采样脉冲同时周期性采样脉冲fs(t)可以用傅可以用傅立叶级数来表示。立叶级数来表示。=tfEtfEEtfsss4cos2cos)(210频谱图为左频谱图为左b)图图中国计量学院中国计量学院O fmin fmax fs- fmax fs+ fmax fs 2 fs f F(f)* Fs(f) c) S/H电路输出信号频谱电路输出信号频谱=tftfEtftfEtfEtftfsss4cos)(2cos)()()()(210利用三角函数展开利用三角函数展开2/

9、)(2cos)(2costfftffss得到频谱得到频谱c）图）图在上图中，假如要不失真，那就是频谱图不能重叠。在上图中，假如要不失真，那就是频谱图不能重叠。fsfminfsfmin fsfmaxfmax得：得： fs 2fmax三、单片集成采样保持电路三、单片集成采样保持电路前面所讲为最基本的采样前面所讲为最基本的采样/保持电路。保持电路。但是我们知道开关就算断开以后，也有漏电流存在，所以我们需要但是我们知道开关就算断开以后，也有漏电流存在，所以我们需要高精度的采样高精度的采样/保持电路保持电路中国计量学院中国计量学院 Uc - - + + + + N R - -E V1 ui C uo V

10、 高精度高精度S/H电路电路V为主开关，为主开关，V1为隔离开关。为隔离开关。uc为高电平时，为高电平时，V和和V1导通，导通，C上电压上电压=ui，uo=ui。uc为低电平时，为低电平时，V和和V1断开，断开，C上电压保持最后状态不变，上电压保持最后状态不变，保持阶段。保持阶段。V1 SG - - + + + + N R u2u1I1V假如有漏电流，那流过假如有漏电流，那流过R。I1很小，所以很小，所以u1很小，很小，同时同时u2为运放失调电压，也很小，为运放失调电压，也很小，在这种情况下，在这种情况下，V1的漏电流大大减小的漏电流大大减小从而大大提高了存储电容的精度从而大大提高了存储电容的

11、精度中国计量学院中国计量学院 & 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ?/ /# 模拟量输入模拟量输入 状态状态 AD571 偏移调节偏移调节 C +5 V AD582 uo ui - - + + + + N1 - - + + + + N2 Uc S DG # # 单片集成采样保持器：单片集成采样保持器：AD571中国计量学院中国计量学院6.3 电压比较电路电压比较电路 - -1 1 + +1 1 # # ui Uo UR uiUR a) b) 图图 6-9 电压比较器及其特性电压比较器及其特性 uiuR uo=0ui1，则：，则：uib）集成集成V/I转换器：转

12、换器：AD693RuiIL=中国计量学院中国计量学院6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路一、一、D/A转换器转换器D/A主要技术指标主要技术指标分辨率：分辨率：精度：精度：建立时间：建立时间：输入数字发生单位数码变化时，所对应的模拟输入数字发生单位数码变化时，所对应的模拟输出电压的变化量。这样能分辨的电压范围叫输出电压的变化量。这样能分辨的电压范围叫做做分辨率分辨率。通常用。通常用LSB（Least Significant Bit)表示。表示。给定数字代码时测得的实际模拟输出量和对应给定数字代码时测得的实际模拟输出量和对应这个输入代码的理论模拟输出量之差。这个输入代码的理论模拟输出量之差。

13、输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围（通常为值范围（通常为1/2 LSB）所需的时间。）所需的时间。中国计量学院中国计量学院二、二、D/A转换器的转换特性转换器的转换特性)222(2211nnRinRodddUDUU=UR为为D/A的基准电压的基准电压对应于最高位（对应于最高位（MSB）的输出电平是）的输出电平是UR/2，对应于最低有效位（，对应于最低有效位（LSB）的输）的输出电平是出电平是UR/2n，满量程值为，满量程值为nRRnRniiRFUUUUU2)211 (21=可见满量程值比基准电压小一个可见满量程值比基准电压小一个LSB电平，只

14、要电平，只要n足够大，足够大，UFUR。中国计量学院中国计量学院三、三、D/A转换器结构及原理转换器结构及原理单片单片D/A转换器的基本组成转换器的基本组成基准电压源基准电压源电阻解码网络电阻解码网络电子开关阵列电子开关阵列相加运算放大器相加运算放大器必有必有基准电压源基准电压源稳压二极管或外接电压。稳压二极管或外接电压。电子开关阵列电子开关阵列许多模拟开关组成，每个开关控制一个二进制的权。许多模拟开关组成，每个开关控制一个二进制的权。电阻解码网络电阻解码网络核心部分，分两种核心部分，分两种加权电阻网络加权电阻网络T型电阻网络型电阻网络中国计量学院中国计量学院1、加权型、加权型S1Sn为模拟开

15、关，由相应的为模拟开关，由相应的d1dn二进制码控制二进制码控制UR为参考电压为参考电压中国计量学院中国计量学院S1的权电阻为的权电阻为RS2的权电阻为的权电阻为2RSn的权电阻为的权电阻为2n-1R接通相应的接通相应的Sn，相应的权电流为，相应的权电流为RUnR12总的权电流总的权电流iniiRodRUI=112=niiiRdRU122这就是这就是Din11122RdRURIUniiiRoo=若若R1=R/2RinRinUDRRUD=22这种电路的缺点是：权电阻的精度影响太大这种电路的缺点是：权电阻的精度影响太大中国计量学院中国计量学院2、T型电阻网络型电阻网络 UR R S1 S2 S3

16、R A1 d1 d2 d3 (MSB) 2RI8RI4RI2RI2R 2R 2R 4RIUo R dn-1 dn (LSB) 1R2 nInI2RnI2R1R2 nI2R 2R 2R Io Sn-1 Sn R1 A2 A3 An-1 An 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 - - + + + + N R2R梯形电阻网络梯形电阻网络D/A转换器转换器同样同样S1Sn为模拟开关为模拟开关这些开关在地与虚地之这些开关在地与虚地之间切换间切换各模拟开关的支路电各模拟开关的支路电流永远不变流永远不变T型电阻网络的特殊之处在哪呢？型电阻网络的特殊之处在哪呢？从从A1An各节点向右看，对地电阻均为各节

17、点向右看，对地电阻均为R。换句话说，就是从。换句话说，就是从A1An各节各节点出发，往右、往下看，两个支路的等效电阻均为点出发，往右、往下看，两个支路的等效电阻均为2R。各支路的电流为各支路的电流为nRRRIII24,2S开关控制流入真的地还是虚地开关控制流入真的地还是虚地中国计量学院中国计量学院)2222(3322111nRnRRRooIdIdIdIdRRIu=)2222(3322111nnRddddRI=)2222(3322111nnRddddRRU=niiiRdRRU112若若R1=R，则，则inRoDUU=中国计量学院中国计量学院二、二、A/D转换器转换器（一）基本原理（一）基本原理精

18、精 度度同同D/A一样主要技术指标一样主要技术指标分辨率分辨率建立时间建立时间 a)采样采样f(t) t F8 F6 F5 F4 F3 F2 F1 0 1 2 3 4 5 6 7 F7 O b)采样保持采样保持f(t) t F8 F6 F5 F4F3 F2 F1 0 1 2 3 4 5 6 7 F7 O c)量化及编码量化及编码 f1(t) t 0 1 2 3 4 5 6 7 011 101 111 111 110 100 011 101 对应编码对应编码 1F2F3F4F5F6F7F8F假若假若2)(2qNqtfqNq则则Nqtf=)(将幅度连续取值的模拟信号变为只能将幅度连续取值的模拟信号

19、变为只能取有限个某一最小当量的整数倍数值取有限个某一最小当量的整数倍数值的过程称为的过程称为量化量化。通过量化将连续量转换成离散量，必通过量化将连续量转换成离散量，必然存在类似于四舍五入产生的误差，然存在类似于四舍五入产生的误差，最大误差可达到最大误差可达到1LSB的的1/2。此误差。此误差叫做叫做量化误差量化误差。中国计量学院中国计量学院编码怎么编？编码怎么编？设二进制数码为（设二进制数码为（d1d2dn），则），则=niiiRnnRidUdddUU122112)222(|量化值采样值量化值采样值|=量化误差量化误差假如最小量化单位为假如最小量化单位为Rniuu= 20为为1个个LSB（量化

20、阶）。（量化阶）。那最大量化误差为那最大量化误差为2121LSB（二）（二）A/D转换器基本工作原理转换器基本工作原理1.双积分式双积分式A/D转换器转换器积分器积分器过零电压比较器过零电压比较器控制逻辑电路控制逻辑电路时钟和计数器时钟和计数器组成组成中国计量学院中国计量学院1.1.预备阶段预备阶段 逻辑控制电路发出复位指令，逻辑控制电路发出复位指令，S4闭合，积分器输入输出都为零。闭合，积分器输入输出都为零。2.2.定时积分阶段定时积分阶段 在在t1时刻，逻辑控制电路发出启动命令，时刻，逻辑控制电路发出启动命令，S4断开，断开，S1闭合，于是积分器开闭合，于是积分器开始对输入电压始对输入电压

21、ui积分，同时打开计数门，计数器计数，当计数器计满积分，同时打开计数门，计数器计数，当计数器计满N1时时（t2时刻），计数器的溢出脉冲使控制电路发出控制信号，时刻），计数器的溢出脉冲使控制电路发出控制信号，S1断开，定时断开，定时积分阶段积分阶段T1结束。结束。积分器输出电压为：积分器输出电压为：iavttioURCTdtURCU11211=iavUUi在在T1时间间隔内的平均值。时间间隔内的平均值。中国计量学院中国计量学院3.3.定值积分阶段定值积分阶段 t2时刻，时刻，S1断开，与断开，与Ui极性相反的基准电压接入积分器，这里极性相反的基准电压接入积分器，这里为为+UR。输出。输出Uo1向

22、零电平斜变。计数器也重新从零开始计数。向零电平斜变。计数器也重新从零开始计数。当输出电压达到零电平时刻，比较器翻转，逻辑控制电路发出当输出电压达到零电平时刻，比较器翻转，逻辑控制电路发出计数器关门信号，停止计数，计数值为计数器关门信号，停止计数，计数值为N2。中国计量学院中国计量学院=32110ttRodtURCURiavURCTURCT21|=|12iavRUUTT =011TNT=022TNT =|12iavRUUNN =N2经寄存器输出，即完成了模拟量向数字量的转化经寄存器输出，即完成了模拟量向数字量的转化优点：精度高，优点：精度高，0.01%，抗干扰好。，抗干扰好。缺点：转换速度慢，缺

23、点：转换速度慢，mS级或更长。级或更长。中国计量学院中国计量学院2.逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 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 输输出出缓缓冲冲器器 输出允许输出允许 转换结束转换结束 启动启动 时钟时钟 Ui UsDn-1 D0 工作原理：工作原理：启动后，逻辑控制电路使启动后，逻辑控制电路使N位位寄存器的最高位寄存器的最高位DN-1为为1，以，以下各位为下各位为0，这个二进制代码，这个二进制代码送送D/A转换器转换成电压转换器转换成电压Us（大致是满量程的一半），（大致是满量程的一半），送到比较器与输入的模拟

24、电送到比较器与输入的模拟电压压Ui比较比较若若UsUi，则，则DN-1位置位置0。DN-1位比较完毕后，再对下一位即位比较完毕后，再对下一位即DN-2位进行比较，控制电路使寄存器位进行比较，控制电路使寄存器DN-2位为位为1，其以下各位为，其以下各位为0，然后再与上一次，然后再与上一次DN-1结果一起经过结果一起经过D/A转换转换后再次送到比较器后再次送到比较器Ui相比较。如此一位一位地比较下去，直至比较到最相比较。如此一位一位地比较下去，直至比较到最后一位（后一位（D0），这时），这时Ui与与Us之间误差最小。发出之间误差最小。发出EOC信号表示转换结束。信号表示转换结束。特点：精度较高，特

25、点：精度较高，0.1%，速度较快，速度较快，us级。级。中国计量学院中国计量学院3.并行比较式式并行比较式式A/D转换器转换器3位并行比较式位并行比较式A/D转换器转换器输入电压输入电压ui将与将与7各基准电压同时进行比较。各基准电压同时进行比较。译码和锁存电路的作用是对译码和锁存电路的作用是对7个比较器的输个比较器的输出状态进行译码和锁存，输出三位二进制码。出状态进行译码和锁存，输出三位二进制码。优点：速度快，优点：速度快，nS秒秒级，精度一般，低于级，精度一般，低于逐次逼近式。逐次逼近式。缺点：造价太高。缺点：造价太高。中国计量学院中国计量学院 8 路路 模拟模拟 开关开关 IN7 8路路

26、模拟模拟量输量输入入 地址地址 锁存锁存 与与 译码译码 ADDA ADDB ADDC ALE 3位位 地址地址线线 地址锁地址锁存允许存允许 - -1 +1 SAR 控制逻辑与时序控制逻辑与时序 启动启动START CLK EOC 转换转换结束结束 8位位数据数据输出输出 三态输三态输 出锁存出锁存 缓冲器缓冲器 D0 D7 OE输出允许输出允许 REF (+ +) REF (- -) 开关树开关树 GND UCC # IN0 WR （三）集成（三）集成A/D转换器转换器转换时间转换时间转换精度：位数转换精度：位数逐次逼近式用的最多。逐次逼近式用的最多。1. ADC0809 逐次逼近式。逐次逼近式。中国计量学院中国计量学院ADC5： MOV DPTR，#7FFDH ；