第6章_信號轉(zhuǎn)換電路-《測控電路(第4版)》張國雄

1、測量與控制電路 測控電路測控電路教材編寫組2022-1-26電壓比較電路：模擬-開關(guān)信號的轉(zhuǎn)換 電壓電流轉(zhuǎn)換電路電壓頻率轉(zhuǎn)換電路采樣保持電路6. 信號轉(zhuǎn)換電路模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路 測量與控制電路32022-1-266.1 電壓比較電路 6.1.1 電平比較電路 （一）差動比較電路-1-1+1+1# #uiUoURuiURa）電壓比較器符號）電壓比較器符號b）電壓比較器特性）電壓比較器特性電壓比較器是一種電壓-開關(guān)信號轉(zhuǎn)換器。一種將電壓信號離散化電路 測量與控制電路42022-1-266.1 電壓比較電路 6.1.1 電平比較電路 （二）求和比較電路（閾值可變） 優(yōu)點：閾值可變 缺點：振鈴現(xiàn)象12R

2、RUUR -+uiUoUR1R2RURuiun電平比較器的“振鈴”現(xiàn)象Uo 測量與控制電路52022-1-266.1 電壓比較電路 6.1.2 滯回比較電路不同方向變化不同閾值不同方向變化不同閾值a) 電路原理圖電路原理圖b) 傳輸特性傳輸特性uiUoU1OU2-1-1+1+1# #uiUoURRR2R1212oL211R1RRRURRRUU212oH211R2RRRURRRUU6.1 電壓比較電路 6.1.2 滯回比較電路-1+1#uiUoURRR2R1VS2VS3電壓比較器是一種帶正反饋的運算放大器，以提高轉(zhuǎn)換速率，消除振鈴現(xiàn)象，可以通過鉗位以獲得所需電平開關(guān)信號 測量與控制電路72022

3、-1-266.1 電壓比較電路 6.1.3 窗口比較電路 單方向多個閾值ui“1”“0”O(jiān) UUR2UR1Uo-1-1+1+1# # & &-1-1+1+1# #uiVSR1RPR2Uo1Uo2UoUZN2N1UR2UR1E6.2.1 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路6.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路R1- -+ + +NuoR2Rsisi（一）反相輸入型sii 1s1oRiiRu要求電流源is的內(nèi)阻Rs必須很大， is需遠(yuǎn)大于運算放大器偏置電流6.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路6.2.1 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路（二）同相輸入型R2- -+ + +NuoR1R3R4iui321o1RRiRu6.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路6.2.2 電壓

4、/電流轉(zhuǎn)換電路ioLo311N2RiRRRui313N1uRRRu)(7Lo422P1RRiRRRub422P2URRRubi724oUuRRRiR4R7+RL R4- -+ + +NV2R5R1R3V1R2R6R7uNuPuiUb+ER1=R2，R3=R4 RLn要求：（1）輸出電流只與輸入電壓有關(guān)，與負(fù)載基本無關(guān)；（2）能夠輸出所需較大電流。6.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路6.2.2 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路RLuiio輸出電流不僅與輸入電壓有關(guān)，而且與負(fù)載有關(guān)不能輸出所需較大電路ioRLuiRRRL 測量與控制電路122022-1-266.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路定義：V/f

5、(電壓/頻率)轉(zhuǎn)換器能把輸入信號電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(yīng)用：在調(diào)頻（電壓調(diào)頻），鎖相和A/D變換等許多技術(shù)領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用。指標(biāo)：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)等頻率信號特點頻率信號特點：抗干擾、便于：抗干擾、便于隔離和遠(yuǎn)傳、便于調(diào)制隔離和遠(yuǎn)傳、便于調(diào)制6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路(一）積分復(fù)原型 ui越高uC越快達(dá)到uP電平，比較器翻轉(zhuǎn)越快V- -+ + +N2- -ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo- -

6、U比較器比較器復(fù)原開關(guān)復(fù)原開關(guān)- -+ + +N1R2uiR1C積分器積分器 測量與控制電路142022-1-266.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路(一）積分復(fù)原型 6.3.1 V/f 轉(zhuǎn)換電路OU1U2uoT1T2tuCU2U1ttOOuP761Z6767RRUUURRRR 762Z6767RRUUURRRR iuUUCRT211121TTi2110)(11uUUCRTfV-+N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比較器比較器復(fù)原開關(guān)復(fù)原開關(guān)-+N1R2uiR1C積分器積分器 測量與控制電路172022-1-26(二）電荷平衡型6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.1 V/f

7、 轉(zhuǎn)換電路uo11itQ 0s01QIi tQ 0s11 tiItRtIuitIttf0si0s1011uot1tuCtOOt0- -+ + +N1- -+ + +N2SuiRIS單穩(wěn)單穩(wěn)定時器定時器uCiURC（1）線性好；（）線性好；（2）易于集成）易于集成n許多頻率解調(diào)電路都屬于f/V 轉(zhuǎn)換電路6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.2 f/V轉(zhuǎn)換電路uo單穩(wěn)態(tài)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器 低通低通濾波器濾波器uiUs 測量與控制電路192022-1-266.3.1 f/V轉(zhuǎn)換電路集成f/V轉(zhuǎn)換器6.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路無信號輸入： U10， U20保持Q=0，S1接地， V2導(dǎo)通uo RS 觸發(fā)器觸發(fā)器

8、- -+ +輸入輸入比較器比較器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U- -+ +定時定時比較器比較器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U- -U7S1S1V1QQui前沿負(fù)脈沖： U11， U20置位Q=1，S1接通， CL充電，V2截止， Ct充電, u5=uCtU-=2U /3, U21 , u6U7, U1=0, Q=06.3 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路6.3.1 f/V轉(zhuǎn)換電路集成f/V轉(zhuǎn)換器每輸入一個脈沖，is對CL充電一次充電時間等于Ct電壓uCt從零上升到U- =2U/3所需時間 tttt11 . 13lnCRCRt1Ss 1s1.9tQI tRsoRLiiLuQi

9、 TTQR1LLottiiss1.92.09t RRuRC fTRR RS 觸發(fā)器觸發(fā)器- -+ +輸入輸入比較器比較器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U- -+ +定時定時比較器比較器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U- -U7S1uoS1V1QQ- /(1 e)t TUU 數(shù)字信號具有抗干擾能力強(qiáng)，便于傳輸、長期存儲、分辨率高、能進(jìn)行復(fù)雜的運算等優(yōu)點。為了將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字，首先要進(jìn)行采樣。這種電路用于一切需要對輸入信號瞬時采樣和存儲的場合，如自動補(bǔ)償直流放大器的失調(diào)和漂移等，最常見的是應(yīng)用于快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以保持輸入信號在采樣過程中不變。當(dāng)系統(tǒng)有多個模擬信

10、號時，為了采得各通道同一時刻的信息時，則需用多個采樣保持器進(jìn)行同時采樣。 采樣保持電路是一種時間上離散化電路。 6.4 采樣保持電路6.4 采樣保持電路6.4.1 6.4.1 基本原理基本原理n采樣保持電路的基本組成：（1）模擬開關(guān)（2）模擬信號存儲電容（3）緩沖放大器 uoa）S/H電路原理電路原理b）模擬信號采樣）模擬信號采樣tTs- -+ + +N1- -+ + +uiSUCCtuof(t)OOui, uoUC6.4 采樣保持電路n對采樣保持電路的對采樣保持電路的主要要求：主要要求： 精度和速度，充精度和速度，充電快、放電慢電快、放電慢n為提高實際電路的為提高實際電路的精度和速度，需同精

11、度和速度，需同時從時從元件元件和和電路電路兩兩方面著手解決。方面著手解決。6.4.1 6.4.1 基本原理基本原理- -+ + +N1- -+ + +ui uoSUCC帶寬，上升速帶寬，上升速率、最大輸出率、最大輸出電流和漂移電流和漂移輸入阻抗、輸入阻抗、上升上升速率、速率、漂移漂移導(dǎo)通電阻、導(dǎo)通電阻、截止截止電阻、電阻、延遲時間延遲時間漏電流漏電流6.4 采樣保持電路6.4.1 6.4.1 基本原理基本原理n采樣保持電路的主要性能指標(biāo)：采樣保持電路的主要性能指標(biāo)：捕捉時間捕捉時間：從發(fā)出采樣指令的時刻起，到輸出值達(dá)：從發(fā)出采樣指令的時刻起，到輸出值達(dá)到規(guī)定的誤差范圍以內(nèi)所需的時間。跟蹤性能的

12、到規(guī)定的誤差范圍以內(nèi)所需的時間。跟蹤性能的標(biāo)志。標(biāo)志。孔徑時間孔徑時間：指從發(fā)出保持指令的時刻起，到開關(guān)真：指從發(fā)出保持指令的時刻起，到開關(guān)真正斷開所需的時間。正斷開所需的時間。 切斷能力的標(biāo)志。切斷能力的標(biāo)志。下垂率下垂率：指由于存貯電容的電荷的泄漏所引起的輸：指由于存貯電容的電荷的泄漏所引起的輸出電壓的變化率。出電壓的變化率。 n為提高實際電路的精度和速度，需同時從為提高實際電路的精度和速度，需同時從元件元件和和電路電路兩方面著手解決。兩方面著手解決。6.4 采樣保持電路6.4.2 6.4.2 模擬開關(guān)模擬開關(guān)n模擬開關(guān) 模擬開關(guān)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

13、關(guān)由開關(guān)元件和控制（驅(qū)動）電路兩部分組成。控制電路開關(guān)元件6.4 采樣保持電路模擬開關(guān)的分類n機(jī)械觸點式：干簧繼電器，水銀繼電器及機(jī)械振子繼電器等。 動作時間長、體積大、耗蝕n電子式開關(guān)：雙極性晶體管、場效應(yīng)晶體管、光耦合器件及集成模擬開關(guān)等。 應(yīng)用廣泛6.4.2 6.4.2 模擬開關(guān)模擬開關(guān)6.4.2 6.4.2 模擬開關(guān)模擬開關(guān)6.4 采樣保持電路模擬開關(guān)的性能參數(shù)n靜態(tài)特性：主要指開關(guān)導(dǎo)通和斷開時輸入端與輸出端之間的電阻Ron和Roff , 此外還有最大開關(guān)電壓、最大開關(guān)電流和驅(qū)動功耗等。n動態(tài)特性：開關(guān)動作延遲時間，包括開關(guān)導(dǎo)通延遲時間Ton和開關(guān)截止延遲時間Toff , 理想模擬開關(guān)

14、時Ton0，Toff0數(shù)字開關(guān)主要要求動態(tài)特性6.4 采樣保持電路6.4.2 6.4.2 模擬開關(guān)模擬開關(guān)SBDGuiuoucRonuiO優(yōu)點：優(yōu)點：Roff1013 （一）N溝道增強(qiáng)型MOSFET開關(guān)電路 不足：不足：Ron隨隨ui增大而增大增大而增大-原因？原因？ （二）CMOS開關(guān)電路 6.4 采樣保持電路6.4.2 6.4.2 模擬開關(guān)模擬開關(guān)b）Ron- ui特性RonRon(C)Ron(N)Ron(P)uiOuGPuiuouGN+E-Ea）CMOS開關(guān)將將P溝道與溝道與N溝道溝道MOSFET并聯(lián)并聯(lián)解決開通電阻問題解決開通電阻問題（三）模擬多路開關(guān)電路 6.4 采樣保持電路6.4.

15、2 6.4.2 模擬開關(guān)模擬開關(guān)輸出/輸入ABC+E01234567輸入/輸出-E11-E2邏輯電平轉(zhuǎn)換電路8選1譯碼電路13141512152416111096873INH S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8巡回采樣：8路輸入、1路輸出 1路輸入、8路輸出 選用泄漏電阻大和介質(zhì)吸附效應(yīng)小的電容器，如聚苯乙烯，鉭電容和聚碳酸脂電容器等。 電容器采用一定的絕緣介質(zhì)，介質(zhì)有一定泄漏電阻6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲電容存儲電容 Cn電容器的吸附效應(yīng) 電容器極板間的介質(zhì)極化不可能瞬時實現(xiàn)，電容器介質(zhì)的偶極子及其界面極化的形成和消失，都需要一定的時間，從而使得電容器在充放電過程結(jié)束時

16、，電容電壓會有程度不等的下降或上升，在經(jīng)過一定的時間后趨于平衡。 6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲電容存儲電容 C+6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲電容存儲電容 n充電過程中的電容器吸附效應(yīng)010CUCUC C0R0R1C1i1i2i3C0R0R1C1i1i2i3C0R0R1C1Si1i2i3a) 充電開始充電開始S閉合閉合b) 充電結(jié)束充電結(jié)束S斷開后斷開后c) 充電結(jié)束達(dá)到平衡充電結(jié)束達(dá)到平衡SS快快慢慢向向C1放電放電泄漏泄漏介質(zhì)內(nèi)部介質(zhì)內(nèi)部6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲電容存儲電容 n放電過程中的電容器的吸附效應(yīng)C0R0R1C1i1i2i3a) 放電開始放電開始S閉合閉合

17、RLb) 放電結(jié)束放電結(jié)束S斷開后斷開后C0R0R1C1i1i2i3RLSSc) 放電結(jié)束達(dá)到平衡放電結(jié)束達(dá)到平衡C0R0R1C1i1i2i3RLS快快慢慢向向C0放電放電泄漏泄漏010CUCUCn電容值選擇電容值選擇電容?。撼潆娍?、放電也快，不利于保持電容?。撼潆娍?、放電也快，不利于保持電容大：充電慢、放電也慢，不利于跟蹤電容大：充電慢、放電也慢，不利于跟蹤根據(jù)信號頻譜選擇根據(jù)信號頻譜選擇6.4 采樣保持電路6.4.3 存儲電容存儲電容 6.4 采樣保持電路6.4.5 應(yīng)用電路舉例應(yīng)用電路舉例 & 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 / /# 模擬量輸入模擬量輸

18、入 狀態(tài)狀態(tài) AD571 偏移調(diào)節(jié)偏移調(diào)節(jié) C +5VAD582 uo ui - - + + + + N1 - - + + + + N2 Uc S DG # # 6.4 采樣保持電路6.4.5 應(yīng)用電路舉例應(yīng)用電路舉例 & 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 / /# 模擬量輸入模擬量輸入 狀態(tài)狀態(tài) AD571 偏移調(diào)節(jié)偏移調(diào)節(jié) C +5VAD582 uoui - - + + + + N1 - - + + + + N2Uc S DG # # 6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路 傳感器輸出的信號多為模擬信號，在以微型計算機(jī)為核心組成的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)中，必須將傳感器輸出的模擬

19、信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，為此要使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC）。相反，經(jīng)計算機(jī)處理后的信號常需反饋給模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，需要數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC）將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號。6.5.1 量值的數(shù)碼表示（一）二進(jìn)制碼n在數(shù)字技術(shù)中，量值常用數(shù)碼表示。由于二進(jìn)制器件容易制作、工作可靠，量值常用二進(jìn)制數(shù)碼表示。6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路)222(2211RinRonndddUDUUnnniiUUUUU22112RRR1RFUR 基準(zhǔn)量值；基準(zhǔn)量值；2-i 相應(yīng)數(shù)碼位的加權(quán)值。相應(yīng)數(shù)碼位的加權(quán)值。 12o1in112(222 )nnUU DU ddd6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5

20、.1 量值的數(shù)碼表示U1 LSB（最低有效位）量值；（最低有效位）量值；2i 相應(yīng)數(shù)碼位的加權(quán)值。相應(yīng)數(shù)碼位的加權(quán)值。 （一）二進(jìn)制碼6.5.1 量值的數(shù)碼表示n主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率 發(fā)生單位數(shù)碼變化時，所對應(yīng)模擬量的相對于基準(zhǔn)量的變化。（2） 量化：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(dāng)量LSB的整數(shù)倍數(shù)值的過程稱為量化。（3）量化誤差 通過量化將連續(xù)量轉(zhuǎn)換成離散量所產(chǎn)生的誤差稱為叫做量化誤差，在采用四舍五入時最大誤差可達(dá)到1LSB的 1/2，不采用時它等于1LSB 。 6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.1 6.5.1 量值的數(shù)碼表示量值的數(shù)碼表示a)

21、采樣采樣b) 量化量化 f(t) t F8F6F5F4F3F2F10 1 2 3 45 6 7 F7 f1(t) t 0 12 3 4 5 6 7 011 101 111 111 110 100 011 101 對應(yīng)編碼對應(yīng)編碼 1F2F3F4F5F6F7F8Fn主要技術(shù)指標(biāo)（4）建立時間 輸入數(shù)字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到相應(yīng)數(shù)值范圍所需的時間，是描述D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的一個重要參數(shù)。（5）轉(zhuǎn)換誤差 給定數(shù)字代碼時測得的實際模擬輸出量和對應(yīng)這個輸入代碼的理論模擬輸出量之差。非線性誤差、增益誤差、失調(diào)誤差等直接影響 。 6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.1 量值的數(shù)碼表示6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

22、6.5.2 D/A轉(zhuǎn)換電路（一）加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電路 niiiiniidRUdRUI1R11 -Ro222R1URUoS2d2dnSn2R4R2n-1RS3d3S1d1R- -+ + +NI1I2I3InIoA電阻值差別太大 R1oo1122niiiU RUI RdR 不好制作、不好集成 6.5.2 D/A轉(zhuǎn)換電路（二）（二）T形R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)電路 6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路（1）Ai向右看電阻均為R；（2）Ai向右看電流平分12R11oo112nRi12222nniiU RRUI RdddUdRR URRS1S2S3RA1d1d2d3(MSB)2RI4RI2RI2R2R2RUoRdn-1dn(L

23、SB)1R2nInI2R1R2nI2R2R2RIoSn-1SnR1A2A3An-1An1010101010- -+ + +NR4I8RInI2R6.5.3 A/D轉(zhuǎn)換電路(一）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器 6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路# #- -1 1+1+1電子電子開關(guān)開關(guān)計數(shù)器計數(shù)器控制邏輯控制邏輯數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)時鐘標(biāo)準(zhǔn)時鐘RCUiUR- -URUC- -+ + +NUCUi1Ui2T1tO2T2T-UR-UR(1）Ui在T1內(nèi)定時充電 1iavT0i1C1d1)(1TURCtURCTU6.5 6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.3 A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路01)(d1)(2R1CT0

24、R1C2C2TURCTUtURCTUTUiavR12UUTT iavR12UUNN ( (一）一）雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 (2(2）根據(jù)）根據(jù)UC( (T1) )極性選擇極性選擇UR或或- -UR反向反向充電至零電位充電至零電位 (3(3）根據(jù)）根據(jù)反向反向充電時間充電時間T2確定確定Ui?？垢蓴_性能好，速度慢?？垢蓴_性能好，速度慢。6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.3 A/D轉(zhuǎn)換電路(二）逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器 iSUU比較器比較器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 逐次逼近逐次逼近 寄寄 存存 器器邏輯控制邏輯控制電電 路路輸出緩沖器輸出緩沖器輸出允許輸出允許轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)換結(jié)束啟啟動動 時鐘時鐘UiUsDn-1D0最高位開始逐位置“1” ，該位置“0” ，該位保留“1”iSUU6.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.3 A/D轉(zhuǎn)換電路5位位A/D轉(zhuǎn)換，滿量程轉(zhuǎn)換，滿量程31V, 輸入電壓輸入電壓Ui= 14.7V(二）逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器 次數(shù)次數(shù)比較前碼比較前碼 代表電壓代表電壓Us比較結(jié)果比較結(jié)果比較后碼比較后碼11000016ViSUU000006.5 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路6.5.3 A/D轉(zhuǎn)換電路5位位A/D轉(zhuǎn)換，滿量程轉(zhuǎn)換，滿量程