测控电路06信号转换电路

1、2020/8/17,测控电路,张国雄 天津大学精密仪器与光电子工程学院 精密测试技术及仪器国家重点实验室 电子邮件：,2020/8/17,6. 信号转换电路,灵：可以根据信号处理、使用、控制的要求转换成所需形式：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。,电压比较电路：模拟-开关信号的转换,电压电流转换电路,电压频率转换电路,采样保持电路,6. 信号转换电路,模拟数字转换电路,2020/8/17,6.1 电压比较电路,6.1.1 电平比较电路 （一）差动比较电路,电压比较器是一种电压-开关信号转换器。,一种将电压信号离散化电路,2020/8/17,6.1 电压比较电

2、路,6.1.1 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,ui,Uo,U,R1,R2,R,UR,ui,un,电平比较器的“振铃”现象,Uo,2020/8/17,6.1 电压比较电路,6.1.2 滞回比较电路,不同方向变化不同阈值,6.1 电压比较电路,6.1.2 滞回比较电路,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,2020/8/17,6.1 电压比较电路,6.1.3 窗口比较电路,单方向多个阈值,6.2.1 电流/电压转换电路,6.2 电压电流转换电路,R1,-,+,+,N,uo,R2,Rs,

3、is,i,（一）反相输入型,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,6.2 电压电流转换电路,6.2.1 电流/电压转换电路,（二）同相输入型,6.2 电压电流转换电路,6.2.2 电压/电流转换电路,io,R4R7+RL,要求： （1）输出电流只与输入电压有关，与负载基本无关； （2）能够输出所需较大电流。,6.2 电压电流转换电路,6.2.2 电压/电流转换电路,RL,ui,io,输出电流不仅与输入电压 有关，而且与负载有关,不能输出所需较大电路,io,RL,ui,R,RRL,2020/8/17,6.3 电压频率转换电路,6.3.1 V/f 转换电路 定义：V/

4、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，非线性误差，灵敏度误差和温度系数等,6.3 电压频率转换电路,6.3.1 V/f 转换电路,(一）积分复原型,ui越高uC越快达到uP电平，比较器翻转越快,2020/8/17,6.3 电压频率转换电路,(一）积分复原型,6.3.1 V/f 转换电路,2020/8/17,(二）电荷平衡型,6.3 电压频率转换电路,6.3.1

5、V/f 转换电路,uo,许多频率解调电路都属于f/V 转换电路,6.3 电压频率转换电路,6.3.2 f/V转换电路,2020/8/17,6.3.1 f/V转换电路,集成f/V转换器,6.3 电压频率转换电路,无信号输入： U10， U20 保持Q=0，S1接地， V2导通,uo,ui前沿负脉冲： U11， U20 置位Q=1，S1接通， CL充电，V2截止， Ct充电, u5=uCtU-=2U /3, U21 , u6U7, U1=0, Q=0,6.3 电压频率转换电路,6.3.1 f/V转换电路,集成f/V转换器,每输入一个脉冲，is对CL充电一次充电时间等于Ct电压uCt从零上升到U-

6、=2U/3所需时间,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，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，如自动补偿直流放大器的失调和漂移等，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电路。,6.4 采样保持电路,6.4 采样保持电路,6.4.1 基本原理,采样保持电路的基本组成： （1）模拟开关 （2）模拟信号存储电容 （3）缓冲放大器,6.4 采样保持电路,对

7、采样保持电路的主要要求： 精度和速度，充电快、放电慢 为提高实际电路的精度和速度，需同时从元件和电路两方面着手解决。,6.4.1 基本原理,6.4 采样保持电路,6.4.1 基本原理,采样保持电路的主要性能指标： 捕捉时间：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。跟踪性能的标志。 孔径时间：指从发出保持指令的时刻起，到开关真正断开所需的时间。 切断能力的标志。 下垂率：指由于存贮电容的电荷的泄漏所引起的输出电压的变化率。 为提高实际电路的精度和速度，需同时从元件和电路两方面着手解决。,6.4 采样保持电路,6.4.2 模拟开关,模拟开关 模拟开关是一种在数字信号控制下

8、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。,6.4 采样保持电路,模拟开关的分类 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、耗蚀 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,6.4.2 模拟开关,6.4.2 模拟开关,6.4 采样保持电路,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 , 理想模拟开关时To

9、n0，Toff0 数字开关主要要求动态特性,6.4 采样保持电路,6.4.2 模拟开关,S,B,D,G,ui,uo,uc,优点：Roff1013,（一）N沟道增强型MOSFET开关电路,不足：Ron随ui增大而增大,（二）CMOS开关电路,6.4 采样保持电路,6.4.2 模拟开关,uGP,a）CMOS开关,将P沟道与N沟道MOSFET并联,（三）模拟多路开关电路,6.4 采样保持电路,6.4.2 模拟开关,巡回采样：8路输入、1路输出 1路输入、8路输出,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。 电容器采用一定的绝缘介质，介质有一定泄漏电阻,6.4 采样

10、保持电路,6.4.3 存储电容,电容器的吸附效应 电容器极板间的介质极化不可能瞬时实现，电容器介质的偶极子及其界面极化的形成和消失，都需要一定的时间，从而使得电容器在充放电过程结束时，电容电压会有程度不等的下降或上升，在经过一定的时间后趋于平衡。,6.4 采样保持电路,6.4.3 存储电容,6.4 采样保持电路,6.4.3 存储电容,充电过程中的电容器吸附效应,6.4 采样保持电路,6.4.3 存储电容,放电过程中的电容器的吸附效应,电容值选择 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 根据信号频谱选择,6.4 采样保持电路,6.4.3 存储电容,6.4 采样

11、保持电路,6.4.5 应用电路举例,&,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,/,#,模拟量输入,状态,AD571,偏移调节,C,+5,V,AD582,u,o,u,i,-,+,+,N,1,-,+,+,N,2,U,c,S,D,G,#,6.4 采样保持电路,6.4.5 应用电路举例,6.5 模拟数字转换电路,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反馈给模拟执行机构等，需要数/模转换器（简称D/A转换器或DAC

12、）将数字量转换成相应的模拟信号。,6.5.1 量值的数码表示,（一）二进制码 在数字技术中，量值常用数码表示。由于二进制器件容易制作、工作可靠，量值常用二进制数码表示。,6.5 模拟数字转换电路,UR 基准量值； 2-i 相应数码位的加权值。,6.5 模拟数字转换电路,6.5.1 量值的数码表示,U1 LSB（最低有效位）量值； 2i 相应数码位的加权值。,（一）二进制码,6.5.1 量值的数码表示,主要技术指标 （1）分辨率 发生单位数码变化时，所对应模拟量的相对于基准量的变化。 （2） 量化：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LSB的整数倍数值的过程称为量化。 （3）量化

13、误差 通过量化将连续量转换成离散量所产生的误差称为叫做量化误差，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 。,6.5 模拟数字转换电路,6.5 模拟数字转换电路,6.5.1 量值的数码表示,主要技术指标 （4）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所需的时间，是描述D/A转换速率快慢的一个重要参数。 （5）转换误差 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。非线性误差、增益误差、失调误差等直接影响 。,6.5 模拟数字转换电路,6.5.1 量值的数码表示,6.5 模拟数字转换电路,6.5.2 D/A转换电路,（一

14、）加权电阻网络电路,不好制作、不好集成,6.5.2 D/A转换电路,（二）T形R-2R电阻网络电路,6.5 模拟数字转换电路,（1）Ai向右看电阻均为R； （2）Ai向右看电流平分,6.5.3 A/D转换电路,(一）双积分式A/D转换器,6.5 模拟数字转换电路,(1）Ui在T1内定时充电,6.5 模拟数字转换电路,6.5.3 A/D转换电路,(一）双积分式A/D转换器,(2）根据UC(T1)极性选择UR或-UR反向充电至零电位,(3）根据反向充电时间T2确定Ui。,抗干扰性能好，速度慢。,6.5 模拟数字转换电路,6.5.3 A/D转换电路,(二）逐次逼近式 A/D转换器,最高位开始逐位置“1” ，该位置“0” ，该位保留“1”,6.5 模拟数字转换电路,6.5.3 A/D转换电路,5位A/D转换，满量程31V, 输入电压Ui= 14.7V,(二）逐次逼近式 A/D转换器,6.5 模拟数字转换电路,6.5.3 A/D转换电路,5位A/D转换，满量程31V, 输入电压Ui=14.7V,(二）逐次逼近式 A/D转换器,01000,6.5.3 A/D转换电路,6.5 模拟数字转换电路,(二）逐次逼近式 A/D转换器,5位A/D转换，满量程31V, 输入电压Ui=14.7V,6.5.3 A/D转换电