第06章 信號轉(zhuǎn)換電路

信號轉(zhuǎn)換電路第一節(jié)采樣保持電路信號轉(zhuǎn)換電路從信息形態(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)換采樣保持電路基本性質(zhì)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(guān)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(guān)斷時間。捕捉時間長，電路的跟蹤特性差，關(guān)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。第一節(jié)采樣保持電路采樣保持電路的基本性質(zhì)組成：模擬開關(guān)模擬信號存儲電容緩沖放大器第一節(jié)采樣保持電路

a)

O

t

Ts

ui

,uo

O

t

uo

f(t)

fs(t)

第一節(jié)采樣保持電路fs＋fminfs－fmin

f

O

fmin

fmax

a)

F(f)

b)

E0

E1

E2

O

fs

2fs

f

Fs(f)

O

fmin

fmax

fs-

fmax

fs+

fmax

fs

2fs

f

F(f)*

Fs(f)

采樣保持電路對采樣保持電路的主要要求：精度和速度為提高實際電路的精度和速度，可從元件和電路兩方面著手解決。元件性能的影響和要求輸入輸出緩沖器

特別需注意的參數(shù)：輸入偏置電流以及帶寬，上升速率和最大輸出電流等性能參數(shù)。

S

Uc

uo

ui

C

∞

-

+

+

N1

∞

-

+

+

N2

元件性能的影響和要求模擬開關(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)元件元件性能的影響和要求模擬開關(guān)的分類

按切換的對象分：電壓和電流開關(guān)電壓模擬開關(guān)的特點是：當(dāng)開關(guān)斷開時，跨于它兩端的電壓總與被換接的電壓Vx有關(guān)，而且通過開關(guān)的電流則與負載RL有關(guān)。電流模擬開關(guān)的特點是：不管負載電阻RL的大小如何，流過開關(guān)的電流總是和被換接的電流Ix相等，而且換接的電壓則由RL*Ix決定。元件性能的影響和要求模擬開關(guān)的分類（電壓和電流開關(guān)）

VXVKRLIKRLIx(a)電壓開關(guān)(b)電流開關(guān)元件性能的影響和要求模擬開關(guān)的分類（電壓和電流開關(guān)）

￥-+R1R2+VRV0V0￥-+R1R2+VR元件性能的影響和要求模擬開關(guān)的分類

按切換的對象使用的元件：機械觸點式和電子式開關(guān)機械觸點式：干簧繼電器，水銀繼電器及機械振子繼電器等。電子式開關(guān)：二極管、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。元件性能的影響和要求模擬開關(guān)的性能參數(shù)

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。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,通常Ton>Toff,理想模擬開關(guān)時Ton→0，Toff→0元件性能的影響和要求模擬開關(guān)的性能參數(shù)

為了得到高質(zhì)量的采樣保持電路，場效應(yīng)模擬開關(guān)的速度應(yīng)快，極間電容，夾斷電壓或開啟電壓，導(dǎo)通電阻和反向漏電流等參數(shù)都應(yīng)小。模擬開關(guān)增強型MOSFET開關(guān)電路（絕緣柵型）

D

B

S

G

ui

uo

uc

i

b)

S

B

D

G

ui

uo

uc

i

a)

ui

o

Ron

O

ui

模擬開關(guān)CMOS開關(guān)電路

ui

uo

uGP

uGN

+E

-E

ui

o

Ron

Ron(C)

Ron(N)

Ron(P)

ui

O

a)

b)

集成模擬開關(guān)CMOS開關(guān)電路

uc

ui

+E

圖6-6含輔助電路的CMOS開關(guān)電路

uo

-E

D2

DG1

1

1

V3

V4

V3

V4

1

1

DG2

uc

-E

V2

V1

V5

+E

多路模擬開關(guān)

0

2

3

5

6

7

輸入/輸出

A

B

C

輸出/輸入

+E

-E1

-E2

邏輯電平轉(zhuǎn)換電路

8選1譯碼電路

13

14

15

12

1

5

2

4

16

11

10

9

6

8

7

INH

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

S8

圖6-7CD4051原理圖

1

4

元件性能的影響和要求存儲電容

選用介質(zhì)吸附效應(yīng)小和泄漏電阻大的電容器，如聚苯乙烯，鉭電容和聚碳酸脂電容器等。(原因：當(dāng)電路從采樣轉(zhuǎn)到保持，介質(zhì)的吸附效應(yīng)會使電容器上的電壓下降，被保持的電壓低于采樣轉(zhuǎn)保持瞬間的輸入電壓，峰值檢波器復(fù)位時，電容放電，介質(zhì)吸附效應(yīng)會使放電后的電容電壓回升，引起小信號峰值的檢波誤差。電容器的泄漏電阻引起電容上的保持電壓隨時間逐漸減小，降低保持精度）什么是電容的吸附效應(yīng)？在實際電容器中，電容器介質(zhì)的偶極子及其界面極化的形成和消失都不可能瞬時實現(xiàn)，往往需要一定的時間，因而使電介質(zhì)常數(shù)隨信號頻率和環(huán)境溫度變化，不能似為常數(shù)實際電容器的仿真模型如右圖所示，圖中C為理想電容值，R0為電容器的泄漏電阻，其余的阻容網(wǎng)絡(luò)為則為介質(zhì)吸附效應(yīng)的仿真。1什么是電容的吸附效應(yīng)？實驗分析表明，阻容電路的時間常數(shù)相差很大，可從幾十毫秒到幾十秒。（1）T充電時間《MAX(T阻容電路)

切斷充電（2）T充電時間》MAX(T阻容電路)切斷電源將電容器短路，且T短路時間《（3～5）MAX(T阻容電路).總結(jié)

從元件方面來看，提高精度的重要措施是減小各種漏電流和偏置電流，選用介質(zhì)吸附效應(yīng)小的電容器，減小開關(guān)導(dǎo)通電阻等的影響。提高工作速度的措施是提高開關(guān)速度，減小開關(guān)極間電容的影響，選用上升速率和輸出電流大的運算放大器。精度提高的方法（電路）（1）模擬開關(guān)漏電流的旁路

Uc

∞

-

+

+

N

R

-E

V1

ui

C

uo

V

精度提高的方法（電路）（2）電容校正方法

uo

ui

C

V

Uc

VD1

VD2

V1

∞

-

+

+

N2

∞

-

+

+

N1

R1

C1

R3

R2

V2

C

uo

∞

-

+

+

N2

∞

-

+

+

N1

ui

R1

C1

Ron1

C

uo

∞

-

+

+

N2

∞

-

+

+

N1

ui

C1

Ron2

Ron

b)

精度提高的方法（電路）（2）電容校正方法的矛盾

精度

《》速度

C

uo

∞

-

+

+

N2

∞

-

+

+

N1

ui

C1

Ron2

Ron

b)

提高速度的方法（電路）減少反饋回路中的時間常數(shù)數(shù)目來提高速度

∞

-

+

+

N1

∞

-

+

+

N2

Uc

uo

C

ui

V1

R1

R2

V

V2

VD1

VD2

單片集成采樣－保持電路

&

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

?/#

模擬量輸入

狀態(tài)

AD571

偏移調(diào)節(jié)

C

+5V

AD582

uo

ui

∞

-

+

+

N1

∞

-

+

+

N2

Uc

S

DG

#

總結(jié)模擬開關(guān)：要求模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻小，漏電流小，極間電容小和切換速度快。存儲電容：要選用介質(zhì)吸附效應(yīng)小的和泄漏電阻大的電容。運算放大器：選用輸入偏置電流小、帶寬寬及轉(zhuǎn)換速率（上升速率）大的運算放大器；輸入運放還應(yīng)具有大的輸出電流信號轉(zhuǎn)換電路(二)電壓比較電路電壓頻率轉(zhuǎn)換電路電壓比較電路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(biāo)是它的響應(yīng)時間，它一般低于10-20ns。響應(yīng)時間與放大器的上升速率和增益-帶寬積有關(guān)。因此，必須選用這兩項指標(biāo)都高的運算放大器作比較器，并在應(yīng)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(yīng)速度。（2）當(dāng)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。電壓比較電路一電平比較電路（單閾值比較器）（a）差動比較電路電壓比較電路一電平比較電路（b）求和比較電路（閾值可變）優(yōu)點：閾值可變?nèi)秉c：振零現(xiàn)象電壓比較電路二滯回比較電路（正反饋閾值）兩個閾值：單方向單閾值電壓比較電路三窗口比較電路

單方向多個閾值電壓頻率轉(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(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，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)等電壓頻率轉(zhuǎn)換電路積分復(fù)原型組成：積分器、比較器和積分復(fù)原開關(guān)等電壓頻率轉(zhuǎn)換電路電荷平衡型電壓頻率轉(zhuǎn)換電路電荷平衡型電壓頻率轉(zhuǎn)換電路集成V/F轉(zhuǎn)換器電壓頻率轉(zhuǎn)換電路集成V/F轉(zhuǎn)換器f/V轉(zhuǎn)換電路通用f/V

轉(zhuǎn)換電路包括三個部分：電平比較器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和彽通濾波器f/V轉(zhuǎn)換電路

Tw

0V

0V

u2

uN

uP

Um

UH

UL

66RRRE+

UH

0V

0V

0V

ui

u1

u2

UZ

（擴展）

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點：

①具有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)兩種工作狀態(tài)。②在外加觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)維持一定時間后，再自動返回穩(wěn)態(tài)。③暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于電路的參數(shù)。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種脈沖整形電路，多用于脈沖波形的整形、延時和定時。1.脈沖整形：對于幅度和寬度都不規(guī)則的脈沖信號，只要這些脈沖的幅度都大于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)電平，則經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以將不規(guī)則的脈沖波形變成幅度和寬度都相同的脈沖波形。2.用于定時：利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)期間輸出的高、低電平去控制某個電路定時工作。3.用于延時利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)期間輸出的高電平去控制與門的開

3.延時：在一個脈沖信號到達后，延遲一段時間再產(chǎn)生一個脈沖，以控制兩個相繼進行的操作。延時脈沖形成f/V轉(zhuǎn)換電路集成f/V轉(zhuǎn)換器＃穩(wěn)態(tài)：Q=0暫穩(wěn)態(tài)：Q=1暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間由Rt,Ct充電時間決定。暫穩(wěn)態(tài)時，IS對RL,CL充電信號轉(zhuǎn)換電路模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路AD轉(zhuǎn)換電路和DA轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)理解定義和內(nèi)容1分辨率：對應(yīng)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（LeastSignificantBit)表示。AD轉(zhuǎn)換電路和DA轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)理解定義和內(nèi)容2量化和量化誤差：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。AD轉(zhuǎn)換電路和DA轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)理解定義和內(nèi)容2量化和量化誤差：

a)

f(t)

t

F8

F6

F5

F4

F3

F2

F1

0

1

2

3

4

5

6

7

F7

O

b)

f1(t)

t

0

1

2

3

4

5

6

7

011

101

111

111

110

100

011

101

對應(yīng)編碼

'1F'2F'3F'4F'5F'6F'7F'8FAD轉(zhuǎn)換電路和DA轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)理解定義和內(nèi)容3精度：理想的ADC是指不含量化誤差以外的誤差，但實際上由于使用的元件和噪聲等產(chǎn)生各種誤差。精度是表示所含誤差的比例，用刻度的百分比或PPM表示。精度分為絕對精度和相對精度。AD轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理1雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

#

-1

+1

電子開關(guān)

計數(shù)器

控制邏輯

數(shù)據(jù)輸出

標(biāo)準(zhǔn)時鐘

R

C

Ui

UR

-UR

UC

∞

-

+

+

N

b)

UC

Ui1

Ui2

T1

t

O

'2T''2TAD轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理2逐次逼進式A/D轉(zhuǎn)換器

比較器

D/A

轉(zhuǎn)換器

逐次逼近

寄

存

器

邏輯控制

電

路

輸出緩沖器

輸出允許

轉(zhuǎn)換結(jié)束

啟動

時鐘

Ui

US

Dn-1

D0

…

AD轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理3并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器

-1

+1

#

N1

-1

+1

#

-1

+1

#

N2

N3

≥1

&

1

Ui

d1

d0

3UR/4

UR/2

UR/4

AD轉(zhuǎn)換器集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

a)

8路

模擬

開關(guān)

IN7

8路模擬量輸入

地址

鎖存

與

譯碼

ADDA

ADDB

ADDC

ALE

3位

地址線

地址鎖存允許

-1

+1

SAR

控制邏輯與時序

啟動START

CLK

EOC

轉(zhuǎn)換結(jié)束

8位數(shù)據(jù)輸出

三態(tài)輸

出鎖存

緩沖器

D0

D7

OE輸出允許

REF(+)

REF(-)

開關(guān)樹

GND

UCC

#

IN0

WR

…

AD轉(zhuǎn)換器集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

b)

START

GND

四分頻

P0.7

P0.0

P0.1

P0.2

ui7

ui0

P2.7

RDWR

0INTALE

+5V

?/#

ADC0809

ALE

OE

EOC

CLK

UCC

REF(+)

REF(–)

D7

D0

ADDC

ADDB

ADDA

IN7

IN0

≥1

1

≥1

…

…

…

…

…

…

DA轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性對n位D/A轉(zhuǎn)換器，設(shè)其輸入是n位二進制數(shù)字輸入信號Din(d1,…dn),Din=d1x2-1+…+dnx2-n如果D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓位UR,則理想D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U0可表示為U0=UR*DinDA轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)及原理單片D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成包括基準(zhǔn)電壓源，電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，電子開關(guān)陣列和相加運算放大器四部分組成。1加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電路

UR

uo

S2

d2

dn

Sn

2R

4R

2n-1R

S3

d3

S1

d1

R

∞

-

+

+

N

I1

I2

I3

In

Io

R1

…

…

A

DA轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)及原理1R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)

UR

R

S1

S2

S3

R

A1

d1

d2

d3

(MSB)

2RI8R