測控電子線路第6章信號轉換電路

第6章信號轉換電路作用：實現(xiàn)各種信號轉換，如S/H、V/f、V/I、A/D。■6.1模擬開關■6.2采樣保持電路■6.3電壓比較電路★■6.4電壓頻率轉換電路★■6.5電壓電流轉換電路★■6.6模擬數(shù)字轉換電路★從信息形態(tài)變化的觀點將各種轉換分為三種：（1）從自然界物理量到電信號的轉換——傳感器（2）電信號之間的轉換——轉換電路（3）從電信號到物理量的轉換——靜態(tài)標定第6章信號轉換電路6.1模擬開關■

主要參數(shù)導通電阻Ron：開關閉合時的電阻；截止電阻Roff：開關關斷時的電阻，主要由漏電引起；延遲時間：控制信號改變時對應產生的輸出延遲時間?！?/p>

開關電路類型增強型MOSFFT開關電路：N溝道增強型和CMOS型；集成模擬開關電路：在同一芯片上集成多個CMOS開關；多路模擬開關電路：由地址譯碼器和多路模擬開關組成。6.2采樣保持電路■作用：采集某一瞬間的模擬輸入信號，根據(jù)需要保持并輸出此電壓值?！霾蓸訝顟B(tài)：電路輸出信號穩(wěn)定地跟蹤模擬輸入信號?！霰３譅顟B(tài)：電路輸出信號保持采樣結束時刻的瞬時值?！鲇猛荆褐饕糜诳焖贁?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。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?！霾蹲綍r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。■

關斷時間：從發(fā)出保持指令的時刻起，直到輸出信號穩(wěn)定下來為止所需的時間?；窘M成：

1.模擬開關

2.存儲電容

3.緩沖放大器6.2采樣保持電路6.2.1基本原理當Uc=“1”時，S接通，ui向C充電，輸出跟蹤模擬輸入信號變化——采樣階段(uo=uc=ui)。∞-+N1+∞-+N2+uiuoUcCSuc當Uc=“0”時，S斷開，uo保持S斷開瞬間的輸入信號值——保持狀態(tài)(uo保持uc值)。采樣定理：采樣頻率fs

>

2

fmax

采樣間隔Ts<1/

2

fmax通常取fs

=(7~10)fmax

6.2.1基本原理■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。6.2采樣保持電路ui,uouoTsttOOui采樣保持■模擬開關：要求模擬開關的導通電阻小，漏電流小，極間電容小和切換速度快?！龃鎯﹄娙荩阂x用介質吸附效應小的和泄漏電阻大的電容?！鲞\算放大器：選用輸入偏置電流小、帶寬寬及轉換速率（上升速率）大的運算放大器，輸入運放還應具有大的輸出電流。元件性能要求6.2采樣保持電路6.2.2單片集成采樣保持電路(AD582)將運放、NMOS管模擬開關S和與門控制電路DG集成在一塊芯片上(AD582)，其輸出uo送入AD571的輸入端，而AD571的狀態(tài)輸出端與AD582的控制端相連。由AD571的輸出狀態(tài)來控制AD582開關S的斷和通，使AD582處于保持/采樣狀態(tài)。6.3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、低輸出電位滿足數(shù)字電路邏輯電平的要求。6.3電壓比較電路■作用：鑒別和比較兩個模擬輸入電壓的大小。當ui<UR時，Uo為高電平“1”；當ui>UR時，Uo為低電平“0”；當ui=UR時，比較器翻轉。

Uo=UR-ui

在高低電平變化瞬間，可用“虛短”和“虛斷”進行分析，是模擬電路與數(shù)字電路之間聯(lián)系的橋梁。-1+1uiUR#UoUouiui<URui>URoUR

6.3.1電平比較電路(單門限電平)

6.3.1.1差動型電平比較電路Uouiui<URui>URoUR

當ui<UR時，Uo為高電平“1”；當ui>UR時，Uo為低電平“0”；當ui=UR時，比較器翻轉。

Uo=UR-ui當UR=0時為過零比較器，又稱鑒零器。如正弦波經過鑒零器后變?yōu)榉讲ā?1+1uiUR#Uo■優(yōu)點：門限電平可變■缺點：振鈴現(xiàn)象6.3.1電平比較電路(單門限電平)

6.3.1.2求和型電平比較電路(門限電平可變)當ui<UR時，Uo為高電平“1”；當ui>UR時，Uo為低電平“0”；當ui=UR時，比較器翻轉。

由于干擾信號un的作用，當ui+un=UR時就產生誤翻轉，即“振鈴”現(xiàn)象?！?++uiUoU

R1R2R∑unURuiUo*

6.3.2滯回比較電路(正反饋，兩個門限電平)UouioU1

U2

設輸出高低電平分別為UoH、UoL，則兩個門限電平分別為：滯后電平：Uo-1+1uiUR#R1R2R調節(jié)R1或R2可調節(jié)滯后電平，使

稍大于預計的干擾信號un，可消除“振鈴”現(xiàn)象。ui<U1時Uo=UoH，ui>U2時Uo=UoL，U1<ui<U2時不翻轉。常作為整形電路。*

6.3.3窗口比較電路(兩個門限電平)當ui<UR2時，Uo1=“1”，Uo2=“0”，則Uo=“1”；當UR2<ui<UR1時，Uo1=“1”，Uo2=“1”，則Uo=“0”；當ui>UR1時，Uo1=“0”，Uo2=“1”，則Uo=“1”。Uo-1+1uiE#R1R2RP-1+1#VS&Uo1Uo2UR1UR2N1N2UZ判斷ui是否在兩個電平之間。兩個門限電平分別為：窗口寬度：UouioUR2

UR1

“1”

“0”

■定義：

V/f(電壓/頻率)轉換器能把輸入信號電壓轉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，故又稱為壓控振蕩器(VCO)?！鰬茫涸谡{頻、調相和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。6.4電壓頻率轉換電路

6.4.1V/f轉換電路N1R1C——

反相積分器；6.4.1.1通用運放V/f轉換電路

1.積分復原式V/f轉換電路N2R5~R8——

滯回比較器；V——

積分復位開關；Vs1——穩(wěn)定門限電平；Vs2Vs3——限制輸出電壓(限幅)。滯回比較器N2同相輸入端的兩個負門限電平分別為：uo=+UZ時，uo=-UZ時，當ui=0時，uc=0，uo=-Uz，V截止，則門限電平為：Up=U2

uc≤U2時，uo=Uz，V導通，C通過R3放電，uc增大，同時up=U1(突變)——放電過程，放電時間為T2當ui>0時，分兩種情況：常數(shù)(非線性項)

uc≥U1時，uo=-Uz，V截止，C通過R1充電，uc減小，同時up=U2(突變)

——充電過程，充電時間為T1(線性項)6.4.1.1通用運放V/f轉換電路

2.電荷平衡式V/f轉換電路ttooucuot0t1N1RC——

反相積分器；N2——

過零比較器；Is——

恒流源發(fā)生器；單穩(wěn)——

產生窄脈沖。當uo=“0”時，S斷開，i向C充電，充電時間為t1，充電電荷為：ΔQ1=it1；當uo=“1”時，S接通，C放電，放電時間為t0，放電荷為：ΔQ0

=(Is-i)t0。根據(jù)電荷平衡原理有：設6.4.1.2集成V/f轉換器(LM131/231/331框圖)6.4.1.2集成V/f轉換器(LM131/231/331簡化圖)當ui>u6時，比較器輸出高電平，Q=“1”，V2導通，則Uo=UoL≈0，同時S閉合(接1)，CL充電，u6增大，Ct充電，u5增大，充電時間t0，充電電荷：Qx=Ist0=1.9t0/Rs，t0≈1.1RtCt；當ui<u6，且u5≥2U/3時，單穩(wěn)輸出Q=“0”，V2截止，則Uo=UoH≈E，同時S斷開(接地)，CL通過RL放電，u6減小，Ct通過芯片內放電管V3放電到零，放電時間t1，放電電荷為：QR=iLt1≈

iLT

≈

uiT/RL。根據(jù)電荷平衡原理有：組成：滯回比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和低通濾波器。6.4.2f/V轉換電路

6.4.2.1通用運放f/V轉換電路N1R3R4——

滯回比較器，輸出方波信號u1(u1與ui同頻)；N2R1R2V1V2——單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使u2占空比隨fi

升高而增大；N3R12C2——低通濾波器，對u2求平均。

u1為低電平時，uN<0，N2輸出高電平，V1V2導通，此時u2為低電平，即u2=“0”，C放電使up減?。籚1截止時，u2=Um，

u1為高電平時，uN=UH>0，N2翻轉輸出低電平，V1V2截止，此時u2為高電平，即u2=Um，C充電使up增大，當up上升到UH時，使N2再次翻轉“復位”，單穩(wěn)過程結束。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。對于幅度和寬度都不規(guī)則的脈沖信號，只要脈沖的幅度大于單穩(wěn)的觸發(fā)電平，則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可將不規(guī)則的脈沖波形變成幅度和寬度都相同的脈沖波形。低通濾波器輸出：6.4.2f/V轉換電路

6.4.2.2集成f/V轉換器(LM131/231/331)要求：，，當ui無負脈沖輸入時，u6≈U>u7，U1=“0”，Q=“1”，此時S接地，V2導通，u5=uct=0，U2=“0”；當ui有負脈沖輸入時，u6<u7，U1=“1”，Q=“0”，此時S接“1”，Is對CL充電，V2截止，U通過Rt對Ct充電，u5增大，充電時間t1，充電電荷為：Qs=Ist1=1.9t1/Rs，t1≈1.1RtCt；當u5≥U-時，U2=“1”，此時u6已回升到u6>u7，U1=“0”，Q=“1”，S接地，CL通過RL放電，同時V2導通，Ct經V2放電，使u5=uct=0，U2=“0”。放電時間t2，放電電荷QR=iLt2≈uoTi/RL。根據(jù)電荷平衡原理有：6.5電壓電流轉換電路■作用：減小傳輸導線阻抗對信號的影響。6.5.1I/V轉換電路1.

反相輸入型uo∞-+N+iS

RSR2R1i

■要求:

（1）電流源內阻RS很大，減小輸入失調電壓影響；（2）iS>>Ib——運放的輸入偏置電流。6.5.1I/V轉換電路*

2.同相輸入型■要求：

R4=R2//R3（R2和R3由i與uo的范圍確定）uo∞-+N+UbR3R1i

R4R2ui■例：

4~20mA→0~10V(作業(yè))

取R1=250Ω，i

=

4~20mA→

ui=1~5V→uo=0~10V

，，，，6.5.1I/V轉換電路■例：4~20mA→0~5V

uN=uP=iSRuo∞-+N+RR1iS

R6R2+15VCuPuNR4R5R3RPRfVSUf取，，，調RP使Uf=7.53V，則uo=312.5426iS-1.250≈

0~5V6.5.2V/I轉換電路

6.5.2.1運放構成的V/I轉換電路■要求：R3>>RL

R4>>R7+RL取R1=R2，R3=R4，uN≈uP，則V1∞-+N+uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio6.5.2V/I轉換電路■例：0~10V→0~10mA取R1=R2=100kΩ，

R3=R4=20kΩ，

R7=200Ω，

Ub=0，則■例：0~10V→4~20mA取R1=R2=100kΩ，R3=R4=20kΩ，

R7=125Ω，Ub=-2.5V，則V1∞-+N+uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio■分辨率：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，能分辨的輸入模擬電壓的最小變化量叫做分辨率。通常用一個單位分辨率(LSB)

或輸出二進制位數(shù)來表示?！隽炕土炕`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)量轉換成離散量，必然存在類似于四舍五入產生的誤差，最大誤差可達到1LSB的1/2。此誤差叫做量化誤差。6.6模擬數(shù)字轉換電路

6.6.1A/D轉換器■轉換精度：實際ADC在量化值上與理想ADC量化值的差值，可用絕對誤差或相對誤差表示。由于實際ADC的量化值除了含有量化誤差外，還有非線性誤差、使用元件和噪聲等產生誤差?！鲛D換時間：完成一次轉換所需要的時間，轉換速率是轉換時間的倒數(shù)。轉換速率常用采樣速率表示，采樣速率是采樣時間的倒數(shù)。6.6模擬數(shù)字轉換電路

6.6.1A/D轉換器*

A/D轉換的三個階段：采樣、量化和編碼6.6.1A/D轉換器6.6.1.1基本原理■采樣：在時間上離散，用模擬信號與脈沖序列相乘實現(xiàn)?！隽炕涸诜瞪想x散，利用四舍五入規(guī)則，用有限個量化值來代替采樣值，量化值與采樣值之差稱為量化誤差，最大量化誤差=±LSB/2?！鼍幋a：編碼與量化同時完成，通常用二進制碼表示，即1.雙積分式A/D轉換器6.6.1.2A/D轉換器工作原理■采樣階段T1：在T1時間內，Ui通過R向C充電，計數(shù)器同時對時鐘脈沖開始計數(shù)，計數(shù)值為N1。采樣階段結束，計數(shù)器清零，積分器輸出：T1=N1TC1．雙積分式A/D轉換器■比較階段T2：在T2時間內，UR或(-UR)使積分器反相積分(UR與Ui極性相反)，同時計數(shù)器重新計數(shù)，計數(shù)值為N2。比較階段結束，此積分器輸出：UCUi1Ui2oT1T2T2ˊ把T1=N1TC，T2=N2TC代入上式得：

計數(shù)器記錄的脈沖數(shù)N2表示被測電壓Ui在T1時間內的平均值Uiav，實現(xiàn)了A/D轉換。速度慢，抗干擾能力強。2.逐次逼近式A/D轉換器從高位到低位，逐位比較。把比較位置1，其它位置0，將數(shù)字代碼經D/A轉換成對應的模擬電壓US，用US與模擬輸入電壓Ui比較，若US>Ui該位置0，若US<Ui該位保留(置1)。速度和精度較高，應用廣泛。3.并行比較式A/D轉換器將基準電壓UR分成相等的2n份，每份為UR/2n，等于最低有效位LSB電壓值，并把UR/2n、2UR/2n、…(2n-1)UR/2n分別加到2n-1個比較器作參考電壓，而把Ui以并聯(lián)方式加到比較器的同相輸入端，與各自的參考電壓進行比較，獲得與二進制相對應的2n-1個狀態(tài)送入編碼器，就可完成A/D轉換。速度高，分辨率低，功耗大，價格高。當時，d1=1；當時，d0=1；當時，d0=1，d1=0。4.∑-ΔA/D轉換器■

∑-Δ調制器：A/D轉換

Δ——

相鄰采樣點間信號的幅值之差；■采樣：采樣頻率fs1=1/Δt

>>fs，取fs1=256fs

——過采樣；■量化：階梯信號x1(t)≈x(t)，逼近誤差e(t)=x(t)-x1(t)很?。弧鼍幋a：x1(t)上升一個Δ時，y1(n)=1；x1(t)下降一個Δ時，

y1(n)=0；x1(t)不變時，沒有y1(n)脈沖。

y1(n)=x(t)-de(t)/dt——1位數(shù)碼數(shù)字信號