重工院测控电路及装置课件06信号转换电路

2026/7/231第六章

信号转换电路内容：各种信号转换电路工作原理重点：转换电路设计2026/7/232

概述问题:1、转换电路应具有所需的特性。2、转换电路应具有一定的输入阻抗和输出阻抗和与之相联的器件阻抗匹配。

作用:将各种类型的信号进行相互转换，使具有不同输入、输出的器件可以联用。2026/7/2336.1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2026/7/234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Ton>Toff,理想模拟开关时Ton→0，Toff→02026/7/235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

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i

a)

ui

o

Ron

O

ui

2026/7/236CMOS开关电路

ui

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uGP

uGN

+E

-E

ui

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Ron

Ron(C)

Ron(N)

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O

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b)

2026/7/237CMOS开关电路

ui

+E

uo

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DG1

1

V3

V4

V3

V4

1

1

DG2uc

-

V2

V1

V5

+

图6-4含辅助电路的CMOS开关电路2026/7/238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

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10

9

6

8

7

INH

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

S8

1

4

图6-5CD4051原理图2026/7/239CD4051构成数字式可编程增益放大器2026/7/2310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，直到输出值达到规定的误差范围以内所需的时间定义为捕捉时间孔径时间：从发出保持指令地时刻起，直到开关真正断开所需的时间定义为关断时间。下垂率：由于存贮电容的电荷的泄漏所引起的输出电压的变化率。捕捉时间长，电路的跟踪特性差，孔径时间长，电路的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。2026/7/2311采样保持电路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2026/7/2312S/H电路工作原理2026/7/2313fs+fminfs-fmin采样定理：采样频率至少应大于模拟信号频率最高频率的2倍。2026/7/2314采样保持电路

对采样保持电路的主要要求：精度和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。2026/7/2315元件性能的影响和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。2026/7/2316单片集成采样－保持电路2026/7/23172026/7/23186.3电压比较电路

比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？

（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。2026/7/2319(a)差动比较电路电平比较电路（单阈值比较器）2026/7/2320（b）求和比较电路优点：阈值可变缺点：振零现象电平比较电路（阈值可变）振铃现象2026/7/2321

二滞回比较电路（正反馈阈值）两个阈值：(单方向单阈值)电平比较电路（正反馈阈值）2026/7/2322窗口比较电路(单方向多个阈值)

2026/7/2323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2026/7/2324V/f转换波形2026/7/2325积分复原型

组成：积分器、比较器和积分复原开关等2026/7/2326

O

U1

U2

uo

T1

T2

t

uC

U2

U1

t

t

OO

uP

2026/7/23271、积分器充电过程的输出电压2、放电过程2026/7/23283、充放电周期4、忽略放电时间2026/7/2329电荷平衡型电荷平衡式V/f转换电路2026/7/2330电荷平衡型2026/7/2331集成V/F转换器2026/7/2332电压频率转换电路集成V/F转换器1.9V参考电压2/3U2026/7/23332026/7/233489C522026/7/2335f/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uoOc)ustttOOτb)a)Usˊuo放大与电平鉴别器单稳态触发器

低通滤波器usUsUsˊ2026/7/2336通用运放f/V转换电路2026/7/2337f/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）

2026/7/23382026/7/2339f/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2026/7/23406.5电压电流转换电路原因： 标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。电压：1～5V，电流：4～20mA

在标准信号和非标准信号之间，不同标准信号之间要进行相互转换。例子：

1、远程传输中的电压电流转换

2、电流数字测量中的电流电压转换2026/7/2341转换要求：

1、I/V

低输入阻抗，低输出阻抗

2、V/I

高输入阻抗，高输出阻抗2026/7/23426.5.1I/V转换器要求：运放的共模抑制比较高2026/7/2343例：将0～10mA的输入电流转换为0～10V输出电压2026/7/23444～20mA/0～5V转换电路2026/7/2345V/I转换电路2026/7/23462026/7/2347信号转换电路模拟数字转换电路2026/7/2348AD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（LeastSignificantBit)表示。2026/7/2349AD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。2026/7/2350AD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：2026/7/2351AD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。2026/7/2352AD转换器A/D转换器的基本原理1双积分式A/D转换器2026/7/2353AD转换器A/D转换器的基本原理2逐次逼进式A/D转换器2026/7/2354AD转换器A/D转换器的基本原理3并行比较式A/D转换器2026/7/2355AD转换器集成A/D转换器ADC08092026/7/2356AD转换器集成A/D转换器ADC08092026/7/2357DA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*Din2026/7/2358D