5章-信号的转换-(2) - 副本

1、5章-信号的转换-(2) - 副本5章-信号的转换-(2) - 副本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电量之间的转换从电量到物理量的转换5章 信号转换电路从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：5章 信号转换电路在进行信号转换时，需要考虑以下问题： 转换电路应具有线性特性要求信号转换电路具有一定的输入阻抗和输出阻抗以与之相联的器件阻抗匹配有足够的驱动能力和动态范围。在进行信号转换时，需要考虑以下问题： 按转换的方式分： 线性转换 非线性转换 线性转换是采用线性电路来完成的，线性转换只能改变信号频谱分量的相对大小，而不会产生新的频率成分，某些波形转换、电压/电流转

2、换可依靠线性转换电路来完成。 利用非线性电路可以实现频率转换，例如混频、分频和倍频。信号的非线性转换主要应用于信号的传输方面，特别是信号的远距离传输，也就是信号的遥传。按转换的方式分： 常用的信号转换电路有：采样/保持（S/H）电路电压比较电路（compararator）V/f（电压/频率）转换器f/V（频率/电压）转换器V/I（电压/电流）转换器I/V（电流/电压）转换器A/D（模/数）转换器D/A（数/模）转换器常用的信号转换电路有：5.1 采样保持电路基本性质捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，直到输出信号稳定地跟踪上输入信号为止，所需的时间定义为捕捉时间关断时间：从发出保持指令地时刻起，

3、直到输出信号稳定下来为止，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，电路的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。5.1 采样保持电路基本性质捕捉时间：从发出采样指令的时刻起1. 基本原理采样保持电路的基本性质组成：模拟开关模拟信号存储电容缓冲放大器1. 基本原理采样保持电路的基本性质5章-信号的转换-(2) - 副本fsfminfsfmin f O fmin fmax a) F(f) b) E0 E1 E2 O fs 2fs f Fs(f) O fmin fmax fs- fmax fs+ fmax fs 2 fs f F(f)* Fs(f) fsfminfsfmi

4、n f O fmin fmax a 对采样保持电路的主要要求： 精度 速度为提高实际电路的精度和速度，可从元件和电路两方面着手解决。 对采样保持电路的主要要求：输入输出缓冲器 特别需注意的参数：输入偏置电流以及带宽，上升速率和最大输出电流等性能参数。输入输出缓冲器 特别需注意的参数：输入偏置电流以模拟开关 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。控制电路开关元件模拟开关控制电路开关元件 模拟开关的分类 按切换的对象分：电压和电流开关 电压模拟开关的特点是：当开关闭合时，跨于它两端的电压总与被换接的电压Vx有关，而且通过开关的

5、电流则与负载RL有关。 电流模拟开关的特点是：不管负载电阻RL的大小如何，流过开关的电流总是和被换接的电流Ix相等，而且换接的电压则由RL*Ix决定。VXVKRLIKRLIx(a) 电压开关(b) 电流开关 模拟开关的分类VXVKRLIKRLIx(a) 电压开关(b模拟开关的分类 按切换的对象使用的元件：机械触点式和电子式开关 机械触点式：干簧继电器，水银继电器及机械振子继 电器等。 电子式开关：二极管、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。模拟开关的分类模拟开关的性能参数 静态特性：主要指开关导通和断开时输入端与输出端之间的电阻Ron和Roff,此外还有最大开关电压、最大开

6、关电流和驱动功耗等。 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, 通常TonToff, 理想模拟开关时Ton0，Toff0模拟开关的性能参数模拟开关的性能参数 为了得到高质量的采样保持电路，场效应模拟开关的速度应快，极间电容，夹断电压或开启电压，导通电阻和反向漏电流等参数都应小。模拟开关的性能参数模拟开关增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型） D B S G ui uo uc i b) S B D G ui uo uc i a) ui o Ron O ui 模拟开关增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型） D B S 模拟开关CMOS开关电路 ui uo

7、uGP uGN +E -E ui o Ron Ron(C) Ron(N) Ron(P) ui O a) b) 模拟开关CMOS开关电路 ui uo uGP uGN +E 集成模拟开关CMOS开关电路 uc ui +E 图6-6 含辅助电路的CMOS开关电路 uo -E D2 DG1 1 1 V3 V4 V3 V4 1 1 DG2 uc -E V2 V1 V5 +E 集成模拟开关CMOS开关电路 uc ui +E 图6-6 多路模拟开关 0 2 3 5 6 7 输入/输出 A B C 输出/输入 +E -E1 -E2 逻辑电平转换电路 8选1译码电路 13 14 15 12 1 5 2 4 16

8、 11 10 9 6 8 7 INH S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 图6-7 CD4051原理图 1 4 多路模拟开关 0 2 3 5 6 7 输入/输出 A B C存储电容 选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容器，如聚苯乙烯，钽电容和聚碳酸脂电容器等。(原因：当电路从采样转到保持，介质的吸附效应会使电容器上的电压下降，被保持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，峰值检波器复位时，电容放电，介质吸附效应会使放电后的电容电压回升，引起小信号峰值的检波误差。电容器的泄漏电阻引起电容上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持精度）存储电容什么是电容的吸附效应？在实际电容器中，电容器介质的偶

9、极子及其界面极化的形成和消失都不可能瞬时实现，往往需要一定的时间，因而使电介质常数随信号频率和环境温度变化，不能似为常数实际电容器的仿真模型如右图所示，图中C为理想电容值，R0为电容器的泄漏电阻，其余的阻容网络为则为介质吸附效应的仿真。1什么是电容的吸附效应？在实际电容器中，电容器介质的偶极子及其总结 从元件方面来看，提高精度的重要措施是减小各种漏电流和偏置电流，选用介质吸附效应小的电容器，减小开关导通电阻等的影响。提高工作速度的措施是提高开关速度，减小开关极间电容的影响，选用上升速率和输出电流大的运算放大器。总结 从元件方面来看，提高精度的重要单片集成采样保持电路 & 1 2 3 4 5 6

10、 7 8 9 10 11 12 13 14 模拟量输入 状态 AD571 偏移调节 C +5V AD582 uo ui - + + N1 - + + N2 Uc S DG # 单片集成采样保持电路 & 1 2 3 4 5 6 7 8 总结模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流小，极间电容小和切换速度快。存储电容：要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容。运算放大器：选用输入偏置电流小、带宽宽及转换速率（上升速率）大的运算放大器；输入运放还应具有大的输出电流 总结模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流小，极间电容小5.2 电压比较电路(Comparer) 比较器用通用运算放大器和专用集成

11、比较器的区别？ （1）比较器的一个重要指标是它的响应时间，它一般低于10-20ns。响应时间与放大器的上升速率和增益-带宽积有关。因此，必须选用这两项指标都高的运算放大器作比较器，并在应用中减小甚至不用相位补偿电容，以便充分利用通用运算放大器本身的带宽来提高响应速度。 （2）当在比较器后面连接数字电路时，专用集成比较器无需添加任何元器件，就可以直接连接，但对通用运算放大器而言，必须对输出电压采取嵌位措施，使它的高，彽输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。5.2 电压比较电路(Comparer) 一 电平比较电路（单阈值比较器） （a）差动比较电路 一 电平比较电路（单阈值比较器） 一 电平比较电

12、路 （b）求和比较电路（阈值可变） 优点：阈值可变 缺点：振零现象 一 电平比较电路 （b）求和比较电路（阈值可变） 二 滞回比较电路（正反馈阈值） 两个阈值： 二 滞回比较电路（正反馈阈值） 三 窗口比较电路 三 窗口比较电路 比较器的选用(1)在要求不高时，也可以将运放作为比较器，但输出高、低电平要与下级相配合。(2)在要求精度（或灵敏度）高而响应速度不是重点时，可以选精密型比较器，如CJ0119。在要求响应快时要选高速型，如CJ0361（tr12ns），但灵敏度不高（为3000），两者难以兼顾。(3)比较器的输出电平虽然是要与数字电路的逻辑电平配合，但还要注意器件类型，一般来说，双极型的

13、比较器与双极型的数字电路能配合，反之亦然，对供电电源是否能合用也应考虑。 比较器的选用例1、单限比较器电路的应用某仪器中过热检测保护电路 例1、单限比较器电路的应用某仪器中过热检测保护电路 例2、滞回比较器电路的应用某电磁炉电路中电网过电压检测电路部分 例2、滞回比较器电路的应用某电磁炉电路中电网过电压检测电应用举例 三极管 值分选电路885 V2.5 VV1V2V+15 V10 k20 k20 k430 k1 M5 k1.5 k3CG50 100，LED 不亮。分析电路是否满足要求： 100，LED 亮，应用举例 三极管 值分选电路885 V2.5 VV1V解IB = (15 - 0.7 )

14、 /1430= 0.01 mA当 50 时，IC 0.5 mA，UC 100 时，IC 1 mA，UC 5 V V1 导通，LED 亮当 50 100 时，2.5 V UC 5 V， LED 不亮解IB = (15 - 0.7 ) /1430= 0.0例3、窗口比较器电路的应用采用上面窗口比较器可以区分三极管是否在需要范围内，比如记为合格范围为 50100，其它100均要取出，则可用发光二极管亮表示一种越限极警，不亮记为可通过即合格。例3、窗口比较器电路的应用采用上面窗口比较器可以区分三极管比较器作为接口电路的应用1、不同通讯方式间电平的转换2、不同仪器间的电平转换比较器作为接口电路的应用5.

15、3 电压频率转换电路V/f 转换器定义：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，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，非线性误差，灵敏度误差和温度系数等5.3 电压频率转换电路V/f 转换器电压频率转换电路积分复原型 组成：积分器、比较器和积分复原开关等电压频率转换电路积分复原型电压频率转换电路电荷平衡型电压频率转换电路电荷平衡型电压频率转换电路电荷平衡型电压频率转换电路电荷平衡型电压频率转换电路集成V/F转换器

16、电压频率转换电路集成V/F转换器电压频率转换电路集成V/F转换器电压频率转换电路集成V/F转换器f/V转换电路通用f/V 转换电路 包括三个部分：电平比较器，单稳态触发器和彽通滤波器f/V转换电路通用f/V 转换电路f/V转换电路 Tw 0V 0V u2 uN uP Um UH UL 66RRRE+ UH 0V 0V 0V ui u1 u2 UZ （扩展） f/V转换电路 Tw 0V 0V u2 uN uP Um U单稳态触发器的工作特点： 具有一个稳态和一个暂稳态两种工作状态。 在外加触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态。在暂稳态维持一定时间后，再自动返回稳态。 暂稳态维持时间的长短取决于电

17、路的参数。 单稳态触发器的工作特点： 具有一个稳态和一个暂稳态两种工作单稳态触发器的应用单稳态触发器是一种脉冲整形电路，多用于脉冲波形的整形、延时和定时。 1. 脉冲整形：对于幅度和宽度都不规则的脉冲信号，只要这些脉冲的幅度都大于单稳态触发器的触发电平，则经过单稳态触发器可以将不规则的脉冲波形变成幅度和宽度都相同的脉冲波形。 2. 用于定时：利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高、低电平去控制某个电路定时工作。 3. 用于延时单稳态触发器的应用单稳态触发器是一种脉冲整形电路，多用于脉冲利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高电平去控制与门的开利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高电平去控制与门的开 3. 延

18、时：在一个脉冲信号到达后，延迟一段时间再产生一个脉冲，以控制两个相继进行的操作。 延时 脉冲形成 3. 延时：在一个脉冲信号到达后，延迟一段时间再产生一个f/V转换电路集成f/V转换器稳态：Q=0暂稳态：Q=1暂稳态持续时间由Rt, Ct充电时间决定。暂稳态时，IS对RL,CL充电f/V转换电路集成f/V转换器稳态：Q=0暂稳态时，5.4 I/V转换电路1.I/V转换器5.4 I/V转换电路1.I/V转换器例1将010mA的输入直流电流转换为010V的输出直流电压。如图所示，取R1250（即ui02.5V），R35.1k，则R215k0.3 k（一个15k的电阻与一个2.2k的电位器串联），R

19、43.9k。例1将010mA的输入直流电流转换为010V的输出直流电T形网络微电流放大电路 T形网络微电流放大电路 2.V/I转换器2.V/I转换器例2如果要将010V的输入直流电压转换为420 mA的输出直流电流，试设计其转换电路并计算相关元件参数。例2如果要将010V的输入直流电压转换为420 mA的输5.5 AD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容1 分辨率：对应一个数字输出的模拟输入电压有一定的幅度范围，若超过这个幅度范围，数字输出就会发生变化，这样能分别的电压范围叫做分辨率。通常用LSB（Least Significant Bit)表示。5.5 AD转换电路和DA转换电路的基础

20、理解定义和内容AD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容2 量化和量化误差：将幅度连续取值的模拟信号变为只能取有限个某一最小当量的整数倍数值的过程称为量化。 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，最大误差可达到1LSB的1/2。此误差叫做量化误差。AD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容AD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容2 量化和量化误差： a) f(t) t F8 F6 F5 F4 F3 F2 F1 0 1 2 3 4 5 6 7 F7 O b) f1(t) t 0 1 2 3 4 5 6 7 011 101 111 111 110 100 0

21、11 101 对应编码 1F2F3F4F5F6F7F8FAD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容 a) f(tAD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容3 精度：理想的ADC是指不含量化误差以外的误差，但实际上由于使用的元件和噪声等产生各种误差。精度是表示所含误差的比例，用刻度的百分比或PPM表示。精度分为绝对精度和相对精度。AD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容AD转换器A/D转换器的基本原理1 双积分式A/D转换器 # -1 +1 电子开关 计数器 控制逻辑 数据输出 标准时钟 R C Ui UR -UR UC - + + N b) UC Ui1 Ui2 T1 t O 2

22、T2TAD转换器A/D转换器的基本原理 # -1 +1 电子开关 AD转换器A/D转换器的基本原理2 逐次逼进式A/D转换器 比较器 D/A 转换器 逐次逼近 寄 存 器 逻辑控制 电 路 输出缓冲器 输出允许 转换结束 启动 时钟 Ui US Dn-1 D0 AD转换器A/D转换器的基本原理 比较器 D/A 转换器 AD转换器A/D转换器的基本原理3 并行比较式A/D转换器 -1 +1 # N1 -1 +1 # -1 +1 # N2 N3 1 & 1 Ui d1 d0 3UR/4 UR/2 UR/4 AD转换器A/D转换器的基本原理 -1 +1 # N1 -1AD转换器集成A/D转换器ADC

23、0809 a) 8路 模拟 开关 IN7 8路模拟量输入 地址 锁存 与 译码 ADDA ADDB ADDC ALE 3位 地址线 地址锁存允许 -1 +1 SAR 控制逻辑与时序 启动START CLK EOC 转换结束 8位数据输出 三态输 出锁存 缓冲器 D0 D7 OE输出允许 REF(+) REF(-) 开关树 GND UCC # IN0 WR AD转换器集成A/D转换器ADC0809 a) 8路 模拟AD转换器集成A/D转换器ADC0809 b) START GND 四分频 P0.7 P0.0 P0.1 P0.2 ui7 ui0 P2.7 RDWR 0INTALE +5V ?/#

24、ADC0809 ALE OE EOC CLK UCC REF(+) REF() D7 D0 ADDC ADDB ADDA IN7 IN0 1 1 1 AD转换器集成A/D转换器ADC0809 DA转换器D/A转换器的转换特性对n位D/A转换器 ，设其输入是n位二进制数字输入信号Din (d1,dn),Din = d1x2-1+dnx2-n如果D/A转换器的基准电压位UR,则理想D/A转换器的输出电压U0可表示为U0 = UR*DinDA转换器D/A转换器的转换特性对n位D/A转换器 ，设其DA转换器D/A转换器结构及原理单片D/A转换器的基本组成包括基准电压源，电阻解码网络，电子开关阵列和相加

25、运算放大器四部分组成。1 加权电阻网络电路 UR uo S2 d2 dn Sn 2R 4R 2n-1R S3 d3 S1 d1 R - + + N I1 I2 I3 In Io R1 A DA转换器D/A转换器结构及原理单片D/A转换器的基本组成包DA转换器D/A转换器结构及原理1 R-2R梯形电阻网络 UR R S1 S2 S3 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

26、 0 1 0 - + + N DA转换器D/A转换器结构及原理1 R-2R梯形电阻网络 UDA转换器集成D/A转换器 UREF UCC Rf b Io1 Io2 CSDI11 DI10 DI1 DI0 XFER21BYBY1WR2WRDAC1208 4位输入锁存器 LE1 LE2 LE3 LSB MSB 8位输入锁存器 12位 DAC 锁存器 12位相乘型D/A 转换 电路 15 16 17 DI9 19 20 4 5 6 7 8 9 23 1 2 21 22 10 14 13 11 24 3 12 & & & DI8 DI7 DI6 DI5 DI4 DI3 DI2 18 23 DA转换器集成D/A转换器 AD-DA转换器实例仿真有一模数数模转换电路如图，试根据不同转换频率，仿真该电路REF1=REF2=10VIn 10sin4t1E9A/DD/A128EOvrinConv REF1 REF2 Out0AD-DA转换器实例仿真有一模数数模转换电路如