測控電路第六章信號轉(zhuǎn)換電路.ppt

第6章 信號轉(zhuǎn)換電路,計量測試工程學 朱維斌,計量測試工程學院 朱維斌,6.1 模擬開關,從信息形態(tài)變化的觀點將各種轉(zhuǎn)換分為三種： 從自然界物理量到電量的轉(zhuǎn)換 電量之間的轉(zhuǎn)換 從電量到物理量的轉(zhuǎn)換,模擬開關是一種在數(shù)字信號控制下將模擬信號接通或斷開的元件或電路。該開關由開關元件和控制（驅(qū)動）電路兩部分組成。,它是構(gòu)成S/H電路關鍵器件之一。,控制電路,模擬開關,機械觸點式,干簧繼電器,水銀繼電器,機械振子式繼電器,電子式,二極管,雙極型晶體管,場效應管（JFET、MOSFET）,集成模擬開關,主要是MOSFET構(gòu)成的模擬開關,計量測試工程學院 朱維斌,（一）增強型MOSFET構(gòu)成的模擬開關,1、N溝道增強型MOSFET開關電路,N溝道MOSFET的Ronui特性曲線, uiucuT時，所以uc加高電平時，開關導通。 輸出電阻Ron隨ui的變化見上圖,如果柵極G uc為低電平時，開關不導通，相當于斷路，截止電阻1013。,工作條件 uGS uT0，uT為開啟電壓。,uGS= uc ui,計量測試工程學院 朱維斌,2. CMOS開關電路,o,R,on,R,on,(C),R,on,(N),R,on,(P),u,i,a),b),uGN為高電平，uGP為低電平，二管導通， 反之 uGN為低電平，uGP為高電平，二管截止。 N、P溝道的曲線變化互補，所以等效電阻特別平坦，好。,計量測試工程學院 朱維斌,4066管腳信息,（二）多路模擬開關,邏輯電平轉(zhuǎn)換電路,圖6-5 CD4051原理圖,組成：譯碼器+多路雙向模擬開關,3.集成模擬開關,例：CD4066 四雙向模擬開關,計量測試工程學院 朱維斌,6.2 采樣保持電路,采樣保持電路是把不斷變化的模擬信號，在某一瞬間的值保持下來。,捕捉時間：從發(fā)出采樣指令的時刻起，直到輸出信號穩(wěn)定地跟蹤上輸入信號為止，所需的時間定義為捕捉時間 關斷時間：從發(fā)出保持指令地時刻起，直到輸出信號穩(wěn)定下來為止，所需的時間定義為關斷時間。,捕捉時間長，電路的跟蹤特性差，關斷時間長，電路的保持特性不好，它們限制了電路的工作速度。,一、基本原理,采樣保持電路的基本組成： 模擬開關 模擬信號存儲電容 輸入、輸出緩沖放大器,S接通時，輸出信號跟蹤輸入信號，稱采樣階段，S斷開時，電容C兩端一直保持斷開前的電壓，稱保持階段。,計量測試工程學院 朱維斌,實際電路見下圖：,uc為高電平，開關S接通，采樣階段,uc為低電平，開關S斷開，保持階段,采樣時間間隔Ts愈短，波形愈準確。,計量測試工程學院 朱維斌,二、采樣定理,采樣定義：依據(jù)采樣定理按照一定的時間間隔從連續(xù)的模擬信號中抽取一系列的時間離散樣值。,采樣頻率：,模擬信號最大頻率為fmax,fs2fmax,在實際工作中， fs10fmax，我們原來的波形才不失真。,在頻域里面看看采樣定理：,a）圖為輸入信號的頻譜,采樣后所獲得的信號是模擬信號f(t)與采樣脈沖fs(t)相乘的結(jié)果，同時周期性采樣脈沖fs(t)可以用傅立葉級數(shù)來表示。,頻譜圖為左b)圖,計量測試工程學院 朱維斌,c) S/H電路輸出信號頻譜,得到頻譜c）圖,在上圖中，假如要不失真，那就是頻譜圖不能重疊。,fsfmin,fsfmin, fsfmaxfmax,得： fs 2fmax,三、單片集成采樣保持電路,前面所講為最基本的采樣/保持電路。,但是我們知道開關就算斷開以后，也有漏電流存在，所以我們需要高精度的采樣/保持電路,計量測試工程學院 朱維斌,U,c,-,+,+,N,R,-,E,V,1,u,i,C,u,o,V,高精度S/H電路,V為主開關，V1為隔離開關。,uc為高電平時，V和V1導通，C上電壓=ui，uo=ui。,uc為低電平時，V和V1斷開，C上電壓保持最后狀態(tài)不變，保持階段。,V假如有漏電流，那流過R。,I1很小，所以u1很小，,同時u2為運放失調(diào)電壓，也很小，,在這種情況下，V1的漏電流大大減小,從而大大提高了存儲電容的精度,計量測試工程學院 朱維斌,單片集成采樣保持器：AD571,計量測試工程學院 朱維斌,6.3 電壓比較電路,uiuR uo=0 uiuR uo=1,一般運放工作在開環(huán)狀態(tài)下，就是電壓比較器。,比較器用通用運算放大器和專用集成比較器的區(qū)別？ （1）比較器的一個重要指標是它的響應時間，它一般低于10-20ns。響應時間與放大器的上升速率和增益-帶寬積有關。因此，必須選用這兩項指標都高的運算放大器作比較器，并在應用中減小甚至不用相位補償電容，以便充分利用通用運算放大器本身的帶寬來提高響應速度。 （2）當在比較器后面連接數(shù)字電路時，專用集成比較器無需添加任何元器件，就可以直接連接，但對通用運算放大器而言，必須對輸出電壓采取嵌位措施，使它的高，彽輸出電位滿足數(shù)字電路邏輯電平的要求。,常用集成電壓比較器：MAX475，LM139，LM111，LM119等等,計量測試工程學院 朱維斌,最常用的就是電平檢測,參考電壓,輸入電壓,輸出,把正弦波變成方波，整形等等常用方波,計量測試工程學院 朱維斌,a)求和型比較電路,-,+,+,u,i,U,o,U,R,1,R,2,R,優(yōu)點：閾值可變 缺點：振零現(xiàn)象,為了克服振零現(xiàn)象，可采用滯回比較電路。,遏制共模誤差,計量測試工程學院 朱維斌,兩個門限電壓：,滯后電平：,可見，滯后電壓可用R1或R2來調(diào)節(jié)，合理選擇其大小，使之稍大于預計的干擾信號，就可消除上述“振鈴”現(xiàn)象。,計量測試工程學院 朱維斌,6.4 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路,V/f 轉(zhuǎn)換器 定義：V/f (電壓/頻率)轉(zhuǎn)換器能把輸入信號電壓轉(zhuǎn)換成相應的頻率信號，即它的輸出信號頻率與輸入信號電壓值成比例，故又稱為電壓控制(壓控)振蕩器(VCO)。 應用：在調(diào)頻，鎖相和A/D變換等許多技術領域得到非常廣泛的應用。 指標：額定工作頻率和動態(tài)范圍，靈敏度或變換系數(shù)，非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數(shù)等,反之：把頻率變化信號線性地轉(zhuǎn)換成電壓變化信號的轉(zhuǎn)換器稱為f/V轉(zhuǎn)換器。,計量測試工程學院 朱維斌,6.5 電壓電流轉(zhuǎn)換電路,要求I/V轉(zhuǎn)換器有低的輸入阻抗及輸出阻抗，而V/I轉(zhuǎn)換器有高的輸入阻抗及輸出阻抗。,一、I/V轉(zhuǎn)換器,ri,is為電流源，Rs為電流源內(nèi)阻。 理想狀態(tài)下，Rs應很大。 iF=isiBis 也即輸入電流is全部流過反饋電阻RF uo= isRF 輸出電壓uo與輸入電流is成正比，即實現(xiàn)了電流/電壓的變換。,集成I/V轉(zhuǎn)換器：RCV420、MAX472,計量測試工程學院 朱維斌,二、V/I轉(zhuǎn)換器,a）反相式,b）同相式,iI=Il=uI/R1,iI,表明：負載阻抗中的電流iL與輸入電壓uI成正比，而與負載阻抗ZL無關，從而實現(xiàn)了電壓與電流的變換。這個電路的缺點是，要求信號源和運算放大器都能給出要求的負載電流值，這是由于信號ui加于運算放大器反相輸入端造成的。,b）圖同相式，信號接于運算放大器的同相端，由于同相端有較高的輸入阻抗，因而信號源只要提供很小的電流。,iI=Il=uI/R1,當需要較大的電流，或較高的輸出電壓（負載ZL有較大的阻抗值）時，普通的運放可能難以滿足要求。,計量測試工程學院 朱維斌,ui,ui,大電流和高電壓的電壓/電流變換器,由于采用了三極管T來提高驅(qū)動能力，其輸出電流可高達幾安培，甚至于幾十安培。,iI=Il=uI/R1,當負載ZL的阻抗值較高時，a）圖所示的電路中的運放仍然需要輸出較高的電壓。普通運放的輸出最高幅值不超過18V。即使是高壓運算放大器，其輸出最高幅值一般不超過40V，而且價格昂貴。,a）,b）,b）圖所示的電路可以滿足負載ZL的阻抗值較高時需要較高輸出電壓的要求，該電路同時也能給出較大的負載電流。由于采用同相輸入方式，也具有很高的輸入阻抗。,計量測試工程學院 朱維斌,式中，為晶體管T的直流電流增益。選用值較大的晶體管，可有 1，則：,ui,b）,集成A/D轉(zhuǎn)換器：AD693,計量測試工程學院 朱維斌,6.6 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路,一、D/A轉(zhuǎn)換器,D/A主要技術指標,分辨率：,精度,建立時間,對應一個數(shù)字輸出的模擬輸入電壓有一定的幅度范圍，若超過這個幅度范圍，數(shù)字輸出就會發(fā)生變化，這樣能分別的電壓范圍叫做分辨率。通常用LSB（Least Significant Bit)表示。,二、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性,UR為D/A的基準電壓,對應于最高位（MSB）的輸出電平是UR/2，對應于最低有效位（LSB）的輸出電平是UR/2n，滿量程值為,可見滿量程值比基準電壓小一個LSB電平，只要n足夠大，UFUR。,計量測試工程學院 朱維斌,三、D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)及原理,單片D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成,基準電壓源,電阻解碼網(wǎng)絡,電子開關陣列,相加運算放大器,必有,基準電壓源穩(wěn)壓二極管或外接電壓。,電子開關陣列許多模擬開關組成，每個開關控制一個二進制的權(quán)。,電阻解碼網(wǎng)絡核心部分，分兩種,加權(quán)電阻網(wǎng)絡,T型電阻網(wǎng)絡,1、加權(quán)型,S1Sn為模擬開關，由相應的d1dn二進制碼控制,UR為參考電壓,計量測試工程學院 朱維斌,S1的權(quán)電阻為R S2的權(quán)電阻為2R,Sn的權(quán)電阻為2n-1R,接通相應的Sn，相應的權(quán)電流為,總的權(quán)電流,若R1=R/2,這種電路的缺點是：權(quán)電阻的精度影響太大,計量測試工程學院 朱維斌,2、T型電阻網(wǎng)絡,R2R梯形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器,同樣S1Sn為模擬開關 這些開關在地與虛地之間切換 各模擬開關的支路電流永遠不變,T型電阻網(wǎng)絡的特殊之處在哪呢？ 從A1An各節(jié)點向右看，對地電阻均為R。換句話說，就是從A1An各節(jié)點出發(fā)，往右、往下看，兩個支路的等效電阻均為2R。,各支路的電流為,S開關控制流入真的地還是虛地,若R1=R，則,計量測試工程學院 朱維斌,二、A/D轉(zhuǎn)換器,（一）、基本原理,同D/A一樣主要技術指標,分辨率,精度,建立時間,b)采樣保持,f,(,t,),t,F,8,F,6,F,5,F,4,F,3,F,2,F,1,0,1,2,3,4,5,6,7,F,7,O,假若,則,將幅度連續(xù)取值的模擬信號變?yōu)橹荒苋∮邢迋€某一最小當量的整數(shù)倍數(shù)值的過程稱為量化。,通過量化將連續(xù)量轉(zhuǎn)換成離散量，必然存在類似于四舍五入產(chǎn)生的誤差，最大誤差可達到1LSB的1/2。此誤差叫做量化誤差。,計量測試工程學院 朱維斌,編碼怎么編？,設二進制數(shù)碼為（d1d2dn），則,|量化值采樣值|=量化誤差,假如最小量化單位為,為1個LSB（量化階）。,那最大量化誤差為,LSB,（二）A/D轉(zhuǎn)換器基本工作原理,1.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,積分器,過零電壓比較器,控制邏輯電路,時鐘和計數(shù)器,組成,計量測試工程學院 朱維斌,1.預備階段 邏輯控制電路發(fā)出復位指令，S4閉合，積分器輸入輸出都為零。,2.定時積分階段 在t1時刻，邏輯控制電路發(fā)出啟動命令，S4斷開，S1閉合，于是積分器開始對輸入電壓ui積分，同時打開計數(shù)門，計數(shù)器計數(shù)，當計數(shù)器計滿N1時（t2時刻），計數(shù)器的溢出脈沖使控制電路發(fā)出控制信號，S1斷開，定時積分階段T1結(jié)束。,積分器輸出電壓為：,Ui在T1時間間隔內(nèi)的平均值。,3.定值積分階段 t2時刻，S1斷開，與Ui極性相反的基準電壓接入積分器，這里為+UR。輸出Uo1向零電平斜變。計數(shù)器也重新從零開始計數(shù)。當輸出電壓達到零電平時刻，比較器翻轉(zhuǎn)，邏輯控制電路發(fā)出計數(shù)器關門信號，停止計數(shù)，計數(shù)值為N2。,計量測試工程學院 朱維斌,N2經(jīng)寄存器輸出，即完成了模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化,優(yōu)點：精度高，0.01%，抗干擾好。 缺點：轉(zhuǎn)換速度慢，mS級或更長。,計量測試工程學院 朱維斌,2.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,工作原理：啟動后，邏輯控制電路使N位寄存器的最高位DN-1為1，以下各位為0，這個二進制代碼送D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓Uo（大致是滿量程的一半），送到比較器與輸入的模擬電壓Ui比較 若UxUo，則保留這一位； 若UxUo，則DN-1位置0。,DN-1位比較完畢后，再對下一位即DN-2位進行比較，控制電路使寄存器DN-2位為1，其以下各位為0，然后再與上一次DN-1結(jié)果一起經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后再次送到比較器Ux相比較。如此一位一位地比較下去，直至比較到最后一位（D0），這時Ui與Uo之間誤差最小。發(fā)出EOC信號表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。,特點：精度較高，0.1%，速度較快，us級。,計量測試工程學院 朱維斌,3.并行比較式式A/D轉(zhuǎn)換器,3位并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器,輸入電壓ui將與7各基準電壓同時進行比較。,譯碼和鎖存電路的作用是對7個比較器的輸出狀態(tài)進行譯碼和鎖存，輸出三位二進制碼。,優(yōu)點：速度快，nS秒級，精度一般，低于逐次逼近式。,缺點：造價太高。,計量測試工程學院 朱維斌,（三）集成A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換時間,轉(zhuǎn)換精度：位數(shù),逐次逼近式用的最多。,1. ADC0809 逐次逼近式。,計量測試工程學院 朱維斌,2. 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135,ICL7135是雙斜積分式位半的單片A/D轉(zhuǎn)換器,通常情況下，設計者都是用單片機來并行采集ICL7135的