检测与转换技术第七章滤波器第八章信号转换技术

4/2/20261第七章

信号滤波技术

滤波器概述无源滤波器有源滤波器滤波技术在信号检测中的应用4/2/202624/2/202637.1滤波器概述

一、滤波器的概念滤波器(filtercircuit)是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种筛选作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。4/2/20264二、滤波器的分类1、按所处理的信号分类分为模拟滤波器和数字滤波器两种。模拟滤波器用模拟电路实现,成本低、功耗小，频率可达几十MHz。数字滤波器用计算机、数字信号处理芯片等完成有关数字处理，通过一定运算关系改变输入信号的频谱分布。精度高，稳定、灵活，便于实现模拟滤波器难以实现的特殊滤波功能。4/2/202652、按所通过信号的频段分类

分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。

二、滤波器的分类(a)低通滤波器(b)高通滤波器(c)带通滤波器(d)带阻滤波器4/2/202663、按所采用的元器件分类

分为无源和有源滤波器两种。

无源滤波器：仅由无源元件(R、C和L)组成，利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。

有源滤波器：由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器)组成。4、按微分方程或传递函数的阶数分类

分为一阶滤波器、二阶滤波器或高阶滤波器等。二、滤波器的分类4/2/20267三、滤波器的主要技术指标

1).波纹幅度d

实际滤波器在通带内的幅频特性不像理想滤波器那样平直，可能呈波纹变化，其波动的幅度称为波纹幅度。

4/2/20268三、滤波器的主要技术指标

2).截止频率实际滤波器没有明显的截止频率（cutofffrequency），为保证通带内的信号幅值不会产生较明显的衰减，一般规定幅频特性值等于时所对应的频率、称为滤波器的上、下截止频率。、3).带宽B和品质因数值Q

上下截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽（bandwidth）B，或-3dB带宽，单位为Hz。滤波器的品质因数Q是中心频率f0和带宽B的比值。4/2/20269中心频率f0

：三、滤波器的主要技术指标

品质因数（qualityfactor）：

品质因数也用来衡量滤波器分离相邻频率成分的能力。Q值越大，滤波器的分辨力越高。

4/2/202610倍频程选择性W

指在上截止频率fc2与2fc2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。

倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频程）。衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。4/2/202611一.一阶无源低通滤波器常用的一阶滤波器由一个电阻和一个电容组成。7.2无源滤波器

输出电压和输入电压关系：频率特性函数：

4/2/202612二.一阶无源高通滤波器由一个电阻和一个电容组成。输出电压和输入电压关系：频率特性函数：

4/2/202613三.滤波器的串/并联4/2/202614RC带通滤波器

带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及其幅频、相频特性如下图所示。

其幅频、相频特性公式为：

H(jw)=H1(jw)H2(jw)4/2/202615一.有源低通滤波器其中：1.一阶有源低通滤波器

7.3有源滤波器

4/2/202616其幅频特性为：当时：当时：故通带截止频率：

一阶有源滤波器的缺点是从通带到阻带衰减太慢，与理想特性差距较大，改进的方案是采用二阶低通滤波电路。通带增益4/2/2026172.二阶有源低通滤波器

（1）简单的二阶有源低通滤波器

UN4/2/202618令：，可得截止频率为

其特征频率f0与一阶低通有源滤波电路相同。

4/2/202619电压放大倍数：令：则：（2）二阶压控有源低通滤波器

UN4/2/202620二.有源高通滤波器将低通电路中接于同相的R、C位置互换，即可得到相应的高通滤波器。1.一阶高通滤波器

电压放大倍数：式中：当：，，可得截止频率为4/2/2026212.二阶压控有源高通滤波器

令：，则以避免自激振荡。4/2/202622三.有源带通及带阻滤波器

简单的二阶有源带通滤波器可选参数合适的用一阶低通和一阶高通有源滤波器串联起来得到。带通条件：1.有源带通滤波器

4/2/2026232.有源带阻滤波器

带阻滤波器的幅频特性与带通滤波器的特性相反，专门用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过，所以带阻滤波器又称陷波器。带阻器有两种方案可以构成。4/2/2026247.4滤波技术在信号检测中的应用

常用滤波器巴特沃斯切比雪夫贝塞尔4/2/2026257.4滤波技术在信号检测中的应用

一、二阶有源低通滤波器

巴特沃斯二阶低通滤波器可得到-12dB/十倍频程的衰减特性，该滤波器使用的元件数值可用下列公式求得：

4/2/202626举例：

例：试设计一个截止频率为100Hz的二阶低通滤波器电路，先选取电容器为：则：4/2/202627在使用低通滤波器时，应注意以下注意事项：①在二阶低通滤波器电路中，即使电阻的误差为±5%，电容的误差为±10%，其截止频率特性也能得到近似的理论值，但是，如果截止频率高于运放的单位增益频率，则滤波特性不好，故对运放频率特性的要求，由工作频率的上限确定。②电容器的种类很多，而滤波器电路需要系数小，长期稳定性好的电容器，所以除电解电容，旁路用的瓷介电容外，还可采用塑料电容（聚脂树脂电容、苯乙烯电容、聚酯电容等），云母电容、纸介电容等，使用电容器时，还应注意电容器的耐压。4/2/202628滤波器的级数与带外衰减特性的关系：

滤波器的级数主要根据对带外衰减特性的要求来确定，每一级低通或高通电路可获得-6dB/十倍频程（fc）的衰减。每级二阶低通或高通电路可获得-12dB/十倍频程（fc

）的衰减。多级滤波器串联时，传输函数总特性的阶数等于各阶数之和。当要求的带外衰减特性为-mdB/倍频程时，则所取级数η应满足η≥m/6。四阶低通滤波器电路的带外衰减特性为24dB/十倍频程（fc

）。4/2/202629三阶低通滤波器

四阶低通滤波器

4/2/202630二、二阶有源高通滤波器4/2/202631设计高通滤波器时应注意以下事项：①二阶以下高通滤波器所用的电阻和电容的误差分别允许在±10%左右，也能获得近似的频率特性，但高于二阶至四阶的高通滤波器电路，如果使用元器件误差太大，就不可能得到近似的理论频率特性，因而随着阶数的增加，所用元件的误差要尽可能小些。②截止频率增高时，将受到运放的频率特性的影响，因而设计时应参阅运放的最大输出电压及频率特性。

例：设计一个截止频率为100Hz的二阶高通滤波器电路。取电容：

则：

4/2/202632三阶高通滤波器

四阶高通滤波器

4/2/202633三、带通滤波器和陷波器1.带通滤波器

带通滤波器是由低通滤波器和高通滤波器组合而成，这里介绍一个以1kHz为中心频率的音频（20Hz～20kHz）巴特沃斯滤波器。两个滤波器可以分别设计，然后再将两部分组合起来。考虑到转换速度这一参数，将低通滤波器放在前级，高通滤波器放在后面。

第一步：首先确定截止频率为20kHz的低通滤波器的各元件值，设定电阻值为10KΩ。取：则：4/2/202634截止频率为20kHz的二阶低通滤波器第二步：按截止频率为20Hz的高通滤波器电路设计。选定电容C的容量为

0.47μF，则：4/2/202635组合带通滤波器截止频率为20Hz的二阶高通滤波器4/2/2026362.带阻（陷波）滤波器陷波器（notchfilter）的工作原理与带通滤波器是相近的，也分别由高通滤波器和低通滤波器组成。对其一般的组成形式这里不作赘述，下面仅对50Hz工频干扰比较有效的工频陷波器作一介绍。陷波器的电路形式如下：

上图所示陷波器是一个经济的窄带陷波式滤波器，滤波频率可以从50Hz调节到60Hz。该电路中采用了有源反馈桥式微分RC网络，陷波频率为：4/2/20263750Hz工频陷波器原理图50Hz陷波器的幅频特性曲线38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

398.1模拟开关

以某种方式控制模拟信号通、断的元件。每一个模拟开关至少都应包含两个部分：用于切换模拟信号的开关元件和按照控制指令驱动开关元件完成通断转换的驱动电路。40

核心是电控开关。电控开关的种类有机电式：各类继电器电子式：双极性晶体管开关场效应晶体管开关电子式类型结型绝缘栅型集成电路开关41双极型晶体管模拟开关一、双极型晶体管模拟开关

双极型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。

A42A43二、结型场效应管模拟开关

结型场效应管模拟开关当时，开关导通；当时，开关截止。

UGS=0UGS<UP<0UP<UGS<044451、CD4051（八选一模拟开关）三、常用电子模拟开关及在系统中的应用46电平转换译码驱动S1UDD(-15V)(+15V)地S4S5S0S2S6S7S3INHCBAUEE12345678910111213141516SmCD4501芯片结构及引脚功能472、CD4052B（二组四选二模拟开关）

48UDD(-15V)(+15V)地UEE8111612345712131415电平转换译码驱动INH6B9A10Y(OUT/IN)X(OUT/IN)X(IN/OUT)Y(IN/OUT)CD4502芯片结构及引脚功能493、CD4053B（三组二选一模拟开关）

50511WPUTSTATES“ON”CHANNELSINHIBITCBACD4051BCD4052BCD4053B000000x,0ycx,bx,ax000111x,1ycx,bx,ay001022x,2ycx,by,ax001133x,3ycx,by,ay01004cy,bx,ax01015cy,bx,ay01106cy,by,ax01117cy,by,ay1ФФФNONENONENONECD4051、CD4052、CD4053真值表524、模拟开关在系统中的应用

应用1：应用在数据采集系统中应用2：应用在数据分配系统中应用3：应用在差动放大器中应用4：应用在程控放大器中53四、模拟开关的性能分析1.截止通道对导通通道的影响

(1)截止通道的漏电流影响A点产生的误差电压：当：54(2)高频信号串扰影响

切换多路高频信号时，截止通道的高频信号会通过通道之间的寄生电容和开关源漏极之间的寄生电容在负载端产生泄漏电压，这种现象称为串扰，寄生电容和数值越大，信号频率越高，串扰就越严重。

552.各通道的开关导通电阻或信号源内阻失配所产生的切换噪声

如果各通道开关的导通电阻或各信号源内阻不等，即使各通道输入电压相同，其输出也不会相等，信号源内阻应尽量一致。3.模拟开关的切换速率

模拟开关必须“先断后开”，设由一路切换到另一路所需要的最小时间为，若对n路信号进行顺序开关，则每个开关可用的最高切换速率为：56采样保持器S/H的作用（SampleandHoldAmplifier）8.2采样/保持器

在A/D转换过程中，输入的模拟信号发生变化，将会使A/D转换产生误差，必需保持输入信号不变，才能得到正确的转换结果。当要同时采集多个传感器信号时，需一种电路将各传感器同一时刻的信号保持住，然后通过共用A/D转换器进行转换并送入内存，这种电路就是采样保持器。又简称S/H。57采样保持器的两个工作状态采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件，具有两个稳定的工作状态。采样状态：在此期间它尽可能快的接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止；保持状态：电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直至进入下一次采样状态为止。58一、工作原理

采样/保持器构成采样/保持器工作原理①采样时：②在保持期间：

式中：

59

对于采样/保持器来讲：减少充电电阻是保证采样精度的关键。增大放电电阻是保证保持精度的关键。

假设经过这段时间的采样，电容端电压与输入电压的相对误差不超过，则：即：再假设经过结束时，电容端电压的相对衰变不超过，则：60二、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。

串联型输出电压的失调误差是两块运放失调误差的代数和，两块运放的共模抑制比有限所引起的共模误差，也会反应在输出端，因此这种电路的精度不够高。通常选用输入阻抗高（场效应管输入级或超β管输入级）、失调参数小、共模抑制比高的运放作为缓冲放大器。若被采样的信号变化速率较高，则应选用高速运放。61反馈型采样／保持器的误差近似于运放A1的失调误差，运放A2的失调误差由于反馈作用而减小到1／A1，从而可忽略不计。所以反馈型采样／保持器具有较高的精度和工作速度。反馈型6263三、采样/保持器的有关参数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。

显然采样时间必须大于捕捉时间，才能保持在采样阶段充分地采集到所需的输入模拟信号。捕捉时间主要由电路充电时间常数和所要求的逼近精度所决定，还与开关的导通时间、缓冲放大器的压摆率和稳定时间有关。642.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。由于孔径时间的存在，采样时间被额外地延迟了。

653.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。66四、应用方法1.采样/频率的选择

系统可用的最高采样频率为：

式中：

：获得时间

：指模拟开关的稳定时间

：A/D转换时间

67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／μs）模拟器件公司THS－0010（压摆率300V／μs）2.采样/保持器集成芯片及安装与调整

68LF398LF398集成采样/保持器原理电路231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7端接地8脚接控制信号。LF398也是反馈型采样／保持器。69主要特性：

1）具有较低的捕捉时间。外接电容CH=100pF采集时间是6μs，可满足8位A／D要求；若CH=1000pF，采集时间为25μs，可满足12位A／D要求。

2）输入阻抗Ri＝30MΩ，输出阻抗（保持状态）Ro=12Ω

3）供电电源±Vs在±9V～±18V范围内选择，输入信号电压可达电源电压±Vs，可适用于12位模数转换电路。

4）模拟地与数字地相互隔离，从而具有较强的抗干扰能力。

5）控制电压UK(控制端8和7之间电压)为TTL电平，7端接数字地，当8端为高电平(UK>1.4V)时，LF398处于跟踪状态，当UK负跳变(从“1”变为“0”)时，LF398转向保持状态。高电平采样；低电平保持。

70AD5821234567891011121314+INNULLOUTPUT-INCHNCNCNCNC+SU-SUL+L-AD582管脚及结构示意1脚：同相输入端，2脚：空；3脚和4脚接直流调零电位器；5脚：负电源6脚和8脚之间接保持电容；7脚：空；8脚：输出端；9脚：是反相输入端；10脚：正电源；11脚和12脚：逻辑控制端;13、14脚：空；

71AD582的特点：1)±9V~±18V供电，典型工作电压是±15V，输入信号可达电源电压，可适用于12位A/D转换器。2)有较高的输入阻抗，约30M欧姆；3)有较短的信号捕捉时间，最短达6μs。该时间与所选择的保持电容有关，电容值越大，捕捉时间越长，它影响采样频率。4)具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力。5)模拟开关由差动的逻辑输入端L+和L-控制，U(L+-L-)在-6V～0.8V时，AD582处于采样模式，U(L+-L-)在+2V～+VS之间时，处于保持模式。低电平采样；高电平保持。6)AD582可与任何独立的运算放大器连接，以控制增益或频率响应，以及提供反相信号等。72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。由于比较器输出只有两个状态，因此，用作比较器的运放将工作在开环或正反馈的非线性状态。在这种情况下，运放输入端“虚短”的结论不再适用，但“虚断”的结论仍然可用。8.3电压比较器

原理图理想输入输出关系73电压比较器的基本特性1.输出高电平(UoH)和低电平(UoL)

用运放构成的比较器，其输出的高电平UoH和低电平UoL可分别接近于正电源电压(UCC)和负电源电压(-UEE)。742.鉴别灵敏度理想的电压比较器，在高、低电平转换的门限UT处具有阶跃的传输特性。要求运放：实际运放的Aud不为无穷大。在UT附近存在着一个比较的不灵敏区。在该区域内输出既非UoH，也非UoL，故无法对输入电平大小进行判别。显然，Aud越大，则这个不灵敏区就越小，称比较器的鉴别灵敏度越高。75转换时间3.转换速度作为比较器的另一个重要特性就是转换速度，即比较器输出状态发生转换所需要的时间。通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。为此可对比较器施加正反馈，以提高转换速度。76非线性应用的条件：运放开环或施加正反馈。理想集成运放非线性应用时的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。77

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。1简单电压比较器ui<ur

，uo=UOHui>ur

，uo=UOL当该电路的参考电压为零时，则为反相过零比较器。

078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。

0ui<ur

，uo=UOLui>ur

，uo=UOH当参考电压为零时，则为同相过零比较器。79若ui=5sinωtVur=2V,UCC=12V。试画出反相和同相比较器的输出波形。反相比较器同相比较器uo(V)12-12tuo(V)12-12t080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81++uiuoui0+UZ-UZuo

UZuoui0+UOM-UOM++uoui忽略了正向压降UF用稳压管稳定输出电压82uoui0+UZ-UZuo

UZuoui0+UOM-UOM用稳压管稳定输出电压_+uoui+_+ui+832.窗口比较器(双限比较器)

原理图输入输出关系RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限上门限其中：UA>UB注意:连接84当UI<UB时：uO0uIUBUA下门限上门限下台阶上台阶UOA2UOA1uO0uIUBUA下门限上门限uO0uIUBUA下门限上门限当UI>UA时：UB<UI<UA85原理图输入输出关系RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUAUB下门限上门限其中：UB>UA注意:连接UI<UAUI>UBUA<UI<UB86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。首先计算分压网络，设电阻分压器中流过的电流为1mA，则总电阻R等于：取：

则：

873.迟滞比较器

简单比较器应用中存在的问题

①.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；②.抗干扰能力差。在比较门限处，输出将产生多次跳变。为了解决以上两个问题，在比较器中引入正反馈，构成所谓“迟滞比较器”。这种比较器具有很强的抗干扰能力，同时由于正反馈加速了状态转换，从而改善了输出波形的边缘。

881）反相迟滞比较器(下行)特点:电路中使用正反馈和uo相连，而uo有两个值，所以对应的U+就有两个值。故阈值电压就有两个值。1、因为有正反馈，所以输出饱和。2、当uo正饱和时(uo=+UOM)：Hom211+UURRRU+=+=3、当uo负饱和时(uo=-UOM)：Lom211+UURRRU+=+-=－++uoRR2R1uiU+89－++uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L设ui

,当ui=<U+L,

uo从-UOM

+UOM这时,uo=-UOM,U+=U+H设初始值:

uo=+UOM,U+=U+H设ui,当ui=>U+H,

uo从+UOM

-UOMHom211+UURRRU+=+=LU+90uoui0+Uom-UomU+HU+LU+H上门限电压U+L下门限电压U+H-U+L称为回差om211URRR+=HU+om211URRR+=-LU+传输特性91tuiU+HU+LtuoUom-Uom－++uoRR2R1uiU+例:设输入为正弦波,画出输出的波形。uoui0+Uom-UomU+HU+L假设开始时UO为UOM92－++uoRR2R1uiUR上下限（用叠加定理）uoui0U+HU+L传输特性+UOM-UOM加上参考电压后的迟滞比较器(下行)：93R1=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。－++uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L传输特性上下限：=10V=2V例题：2V10V942V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0U+HU+L传输特性+UOM-UOM－++uoRR2R1uiUR2V10Vtt95

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：tuI0uO0t正向门限电平+UZ-UZUT-UT+负向门限电平滞回比较器的主要优点96tuI0uO0t正向门限电平+UZ-UZUT-UT+负向门限电平干扰太大，滞回功能会失效97－++uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L－++uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L迟滞比较器(下行)两种电路传输特性的比较:980URRRuRRRom211i212=+++－++uoRR2R1ui0URRRRRRom211212=+-+ui当uo=-UOM当uo=+UOMui=ui=2)同相迟滞比较器(上行)令令uoU+-U-0+UOM-UOM以前学习的过零同相比较器99U+HU+Luoui0Uom-Uom传输特性曲线－++uoRR2R1ui上下门限电压100－++uoRR2R1uiUR上下门限电压URURRRuRRRom211i212=+++当uo=+UOM当uo=-UOMURRRRRRom211212=+-+uiURUR

R2RR21++UR

R2RR21++加上参考电压后的迟滞比较器(上行)：101－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1ui对照U+HU+Luoui0Uom-UomU+HU+Luoui0Uom-Uom加上参考电压后的迟滞比较器(上行)传输特性：102

输出电压高电平UOH和低电平UOL的数；阈值电压的数值UH（U+H、U+L）；当ui变化且经过UH时，uO跃变。跃变的方向决定于同相比较器还是反相比较器。

为了正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：注意：103

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”。1044.移相电路和峰值（过零）检测电路

移相前

90度移相后过零比较器输出1051)基本的峰值检测电路峰值检测器是用来检测交流电压峰值的电路,最简单的峰值检测器依据半波整流原理构成电路。问题:为了避免次级输入电阻的影响,可在检测器的输出端加一级跟随器(高输入阻抗)作为隔离级。1062)峰值检测电路改进-1问题：电路中的二极管,仅在Vi-Vo>0时才导通,使电容C充电。为使在(Vi-Vo)很小时也能有足够的充电速度,可将(Vi-Vo)经过放大,再作用于二极管。按照这一设想,可在检测器前加一级比较放大器。Vo1073)峰值检测电路改进-2问题：在Vi-Vo<0时,比较放大器的输出电压接近于负电源电压,使D1上有较大的反向电压,D1就会有一定的反向泄漏电流。为抑制D1的反向电流,应使D1的正极在反向时的电压,只略低于Vo。为此,在比较放大器(A2)与D1之间增设二极管D2和电阻R2.Vo1084)峰值检测电路改进-3在Vi>Vo时,A2输出较大的正向电压,使D2与D1导通对电容充电。在Vi<Vo时,A2输出的反向电压使D2关断。这时,D2的负极(D1的正极)通过R2联于A1的输出端,使R2一端的电压(对地)为Vo。流过D2的反向电流通过R2,因而使D2的负极(D1的正极)上和电容上的电压得以保持。VoVo109在输入信号的每周期的大部分时间中处于Vi<Vo的状态,因而A2输出端的电压几乎等于负电源电压,A2的中间级和输出级的某些管子,必处于深饱和和深截止状态。仅当Vi在峰值附近的一小段时间中,A2才可能在线性区中,A2的某些管子应从深饱和状态(或深截止状态)转向线性区(放大区)中的状态。管子的这种状态的转换需要经历一段时间才能完成。这种效应限制了输入信号频率,亦即限制了检测速度。对改进电路3提出的问题110为了改善电路的速度,用D3,将比较放大器组成非线性反馈的放大器(图a)。在Vi>Vo时，Vo2高于Vo,D3处于反偏置状态(不导通)，A2仍可视为无反馈的高增益电路;在Vi<Vo时，Vo2低于Vo,D3处于正偏置状态(导通)呈现为低阻抗,A2可视为有强反馈的低增益放大器。若D3的正向等效电阻为RD3,在rD3<<R3时,只要R3充分大，保持Vo值变化较小，对于输入信号来说,该电路相当于有偏置的跟随器(图b)。解决方案111峰值检测电路改进-4较完善的峰值检测器电路112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转换器113114例如：对于0~5V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

等

D/A的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的电压。比如收到（00111111）B，应给出幅度为1.25V

的电压。8.4.1D/A转换器将数字信号转换为模拟信号的电路。115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116集成运放通过RF接入负反馈，有虚短，V-≈V+=0117

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118二、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119

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：120121

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，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。122三、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原码输入对应的输出偏移后的输出D2D1D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入对应的十进制要求的输出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*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01123*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0124四、转换精度分辨率（理论精度）指单位数字量的变化所引起的模拟量的变化，通常定义为满量程电压与2n之比值，也可用满量程的百分数来表示。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。125一、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126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(Δ)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127最大量化误差为△，即1／8V最大量化误差为1/2△，即1／15V取取128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：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重<待测重量Wx

，故保留砝码总重仍<待测重量Wx

，故保留砝码总重>待测重量Wx

，故撤除砝码总重＝待测重量Wx

，故保留暂时结果8克12克12克13克

结论二、直接A/D转换器129130三、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）131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