测控电路第六章信号转换电路

a)
b)
图 6-9 电压比较器及其特性
一般运放工作在开环状态下，就是电压比较器。
比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？ （1）比较器的一个重要指标是它的响应时间，它一般低于10-20ns。响应时间与放 大器的上升速率和增益-带宽积有关。因此，必须选用这两项指标都高的运算放大 器作比较器，并在应用中减小甚至不用相位补偿电容，以便充分利用通用运算放大 器本身的带宽来提高响应速度。 （2）当在比较器后面连接数字电路时，专用集成比较器无需添加任何元器件，就 可以直接连接，但对通用运算放大器而言，必须对输出电压采取嵌位措施，使它的 高，彽输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。
滞后电平：
ΔU
=U2
−U1
=
R2 R1 + R2
(U oH
− U oL )
可见，滞后电压可用R1或R2来调节，合理选择其大小， 使之稍大于预计的干扰信号，就可消除上述“振铃”现象。
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6.4 电压频率转换电路
V/f 转换器 定义：V/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)。
干簧继电器
开关元件
机械触点式 水银继电器
模拟开关 电子式
机械振子式继电器
二极管 双极型晶体管 场效应管（JFET、MOSFET） 集成模拟开关
控制电路
主要是MOSFET构成的模拟开关
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（一）增强型MOSFET构成的模拟开关
1、N沟道增强型MOSFET开关电路
工作条件 uGS － uT>0，uT为开启电压。
应用：在调频，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
反之：把频率变化信号线性地转换成电压变化信号的转 换器称为f/V转换器。
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6.5 电压电流转换电路
要求I/V转换器有低的输入阻抗及输出阻抗，而V/I转 换器有高的输入阻抗及输出阻抗。
C
Uc
高精度S/H电路
V为主开关，V1为隔离开关。 uo uc为高电平时，V和V1导通，
C上电压=ui，uo=ui。
uc为低电平时，V和V1断开， C上电压保持最后状态不变， 保持阶段。
I1
R u1
u2
V1 G
S
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∞ -
+ +N
V假如有漏电流，那流过R。 I1很小，所以u1很小， 同时u2为运放失调电压，也很小， 在这种情况下，V1的漏电流大大减小 ∴从而大大提高了存储电容的精度
各支路的电流为n242?s开关控制流入真的地还是虚地iddddrriu????同样s1sn为模拟开关这些开关在地与虚地之间切换各模拟开关的支路电流永远不变rrriii22223322111nrnrrrooiii22223322111nnrddddriu?????22223322111nnrddddrr??????i??niirdrru112若r1r则inroduu?计量测试工程学院朱维斌二ad转换器一基本原理同da一样主要技术指标分辨率精度建立时间a采样fttf8f6f5f4f3f2f101234567f7ob采样保持qnqfttf8f6f5f4f3f2f101234567f7oc量化及编码f1tt01234567011101111111110100011101对应编码1f2f3f4f5f6f7f8f假若22tfqnqlt
关断时间：从发出保持指令地时刻起，直到输出信号稳定下来为止，所需的时间定义 为关断时间。
捕捉时间长，电路的跟踪特性差，关断时间长，电路的保持特性不好，它们限制了
电路的工作速度。
一、基本原理
S ui
采样保持电路的基本组成：
开关控制
C
模拟开关
模拟信号存储电容
采样信号
输入、输出缓冲放大器 S接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶
= −R1 (d1
iI
a）反相式
b）同相式
iI=Il=uI/R1
表明：负载阻抗中的电流iL与输入电压uI成正比，而与负载阻抗ZL无 关，从而实现了电压与电流的变换。这个电路的缺点是，要求信号 源和运算放大器都能给出要求的负载电流值，这是由于信号ui加于运 算放大器反相输入端造成的。
b）图同相式，信号接于运算放大器的同相端，由于同相端有较高的输 入阻抗，因而信号源只要提供很小的电流。 iI=Il=uI/R1
段，S断开时，电容C两端一直保持断开前的 电压，称保持阶段。
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实际电路见下图：
ui ,uo O
fs(t) O Ts
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uc为高电平，开关S接通， 采样阶段 uc为低电平，开关S断开， 保持阶段
uo f(t)
采样时间间隔Ts愈短，波 t 形愈准确。
t
二、采样定理
=
uI R1
ui
b）
集成A/D转换器：AD693
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6.6 模拟数字转换电路
一、D/A转换器
分辨率：对应一个数字输出的模拟输入电压有一定的幅度范围，若超过这个幅度范围，数
字输出就会发生变化，这样能分别的电压范围叫做分辨率。通常用LSB（Least
D/A主要技术指标 精度 Significant Bit)表示。
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第6章 信号转换电路
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6.1 模拟开关
从信息形态变化的观点将各种转换分为三种： ①从自然界物理量到电量的转换 ②电量之间的转换 ③从电量到物理量的转换
模拟开关是一种在数字信号控制下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。
它是构成S/H电路关键器件之一。
在上图中，假如要不失真，那就是频谱图不能重叠。 ∴ fs－fmax>fmax 得： fs > 2fmax
三、单片集成采样保持电路
前面所讲为最基本的采样/保持电路。
但是我们知道开关就算断开以后，也有漏电流存在，所 以我们需要高精度的采样/保持电路
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-E
V ui
R V1
∞ -
+ +N
逻 辑
电
平
转
换
电
路
4066管脚信息
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图6-5 CD4051原理图
6.2 采样保持电路
采样保持电路是把不断变化的模拟信号，在某一瞬间的值保持下来。
u0
=⎧⎨ui ⎩ui
(t) (t0)
采样期 保持期0(为t 发出保持命令的）时刻
捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，直到输出信号稳定地跟踪上输入信号为止，所 需的时间定义为捕捉时间
优点：阈值可变 缺点：振铃现象
为了克服振零现象，可采用滞 回比较电路。
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R ui
R2
UR
-1 #
+1
Uo
R1
Uo
O
U1 U2 ui
a)电路原理图
b)传输特性
两个门限电压：U1
=UR
R1 R1 + R2
+ U oL
R2 R1 + R2
U2
=UR
R1 R1 + R2
+ U oH
R2 R1 + R2
一、I/V转换器
ri
is为电流源，Rs为电流源内阻。 理想状态下，Rs应很大。 iF=is－iB≈is 也即输入电流is全部流过反馈电阻RF ∴ uo= －isRF 输出电压uo与输入电流is成正比，即 实现了电流/电压的变换。
集成I/V转换器：RCV420、MAX472
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二、V/I转换器
建立时间
二、D/A转换器的转换特性
U o = U R Din = U R (d1 × 2−1 + d 2 × 2−2 + " + d n × 2−n )
UR为D/A的基准电压
对应于最高位（MSB）的输出电平是UR/2，对 应于最低有效位（LSB）的输出电平是UR/2n，满 量程值为
∑ U F
=UR
n
常用集成电压比较器：MAX475，LM139，LM111，LM119等等
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最常用的就是电平检测 输入电压
参考电压
输出
把正弦波变成方波，整形等等常用方波
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ui
R1
∞
R2
Σ-
U
+
Uo
+
R
a)求和型比较电路
un
UR
ui Uo
MN
PQ
VR
=
−
R1 R2
V
遏制共模误差
b）图所示的电路可以满足负载ZL的阻抗值较高时需要较高输出电压的要求，该电路 同时也能给出较大的负载电流。由于采用同相输入方式，也具有很高的输入阻抗。
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iL
=
β 1+ β
i1
=
β 1+ β
uI R1
式中，β为晶体管T的直流电流增益。选用β值较大的晶体
管，可有β >>1，则：
iL
信号f(t)与采样脉冲fs(t)相乘的 f 结果，同时周期性采样脉冲fs(t)
可以用傅立叶级数来表示。
Fs(f)
E0 O
E1 fs b)
E2
2fs
f
fs (t) = E0 + E1 cos 2πfst + E2 cos 4πfst +""
频谱图为左b)图
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F(f)* Fs(f)
2−i
i =1
=
U
R
(1
−
1 2n
)
=
U
R
−UR 2n
可见满量程值比基准电压小一个LSB电平， 只要n足够大，UF≈UR。
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三、D/A转换器结构及原理
基准电压源 电阻解码网络 单片D/A转换器的基本组成 电子开关阵列 必有 相加运算放大器
基准电压源——稳压二极管或外接电压。 电子开关阵列——许多模拟开关组成，每个开关控制一个二进制的权。
R
×
R
d
i
2n−1 × R
这就是Din
∑ = 2U R
R
n
di 2−i
i =1
∑ ∴U o
=
−Io R1
=
−
2U R R
n
di 2−i • R1
i =1
若R1=R/2
=
−
2DinU R R
⋅
R 2
=
−DinU R
这种电路的缺点是：权电阻的精度影响太大
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2、T型电阻网络
UR
A1 R A2 R A3
d2
d3
dn-1
dn (LSB)
R—2R梯形电阻网络D/A转换器
T型电阻网络的特殊之处在哪呢？
从A1~An各节点向右看，对地电阻均为R。换句话说，就是从A1~An各节点出发，往右、往
下看，两个支路的等效电阻均为2R。
∴各支路的电流为
IR 2
,
IR 4
"
IR 2n
S开关控制流入真的地还是虚地
∴uo
= −I o R1
fs＋fmin
O fmin fmax fs- fmax fs fs+ fmax
2 fs
f
c) S/H电路输出信号频谱
fs－fmin
∴ f (t) • fs (t) = E0 f (t) + E1 f (t) cos 2πfst + E2 f (t) cos 4πfst + ""
∴得到频谱c）图
利用三角函数展开 [cos 2π ( fs + f )t + cos 2π ( fs − f )t]/ 2
单片集成采样保持器：AD571
Uc
+5V 14 13
12
11
AD582
&
DG
∞ -
S
+ + N1
#
uo
10
98
∞ -
+ + N2
1
2
ui
3
4
5
偏移调节
6
7
C
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状态
模拟量输入
AD571
6.3 电压比较电路
-1 ui
+1 UR
Uo
# Uo
ui<UR
ui>UR
O UR
ui
ui>uR uo=0 ui<uR uo=1
IR 2
IR IR 24
IR
IR
48
2R S1
2R S2
2R S3
1
0
1
0
1
0
An-1 R An
IR 2n−1
IR 2n−1
IR 2n
IR 2n
2R
2R 2R
R1
Sn-1
Sn
1
0
1
0
Io
∞ -
+ +N
同样S1~Sn为模拟开关 这些开关在地与虚地之间 切换 ∴各模拟开关的支路电流 永远不变
Uo
d1 (MSB)
加权电阻网络
电阻解码网络——核心部分，分两种
T型电阻网络
1、加权型
S1~Sn为模拟开关，由相应的 d1~dn二进制码控制 UR为参考电压
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S1的权电阻为R S2的权电阻为2R
Sn的权电阻为2n-1R
接通相应的Sn，相应的权电流为 U R
∑ ∴总的权电流
Io
=
n i=1
2
U
i−1
当需要较大的电流，或较高的输出电压（负载ZL有较大的阻抗值）时，普通的运放 可能难以满足要求。
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ui ui
a）
iI=Il=uI/R1
b）
大电流和高电压的电压/电流变换器
由于采用了三极管T来提高驱动能力，其输出电流可高达几安培，
甚至于几十安培。
当负载ZL的阻抗值较高时，a）图所示的电路中的运放仍然需要输出较高的电压。普 通运放的输出最高幅值不超过±18V。即使是高压运算放大器，其输出最高幅值一般不 超过±40V，而且价格昂贵。
uGS= uc－ ui
∴ ui<uc－uT时，所以uc加高电平时，
开关导通。
Ron
输出电阻Ron随ui的变化见上图
如果栅极G uc为低电平时，开关不 导通，相当于断路，截止电阻 1013Ω。
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O
uiห้องสมุดไป่ตู้
N沟道MOSFET的Ron—ui特性曲线
2. CMOS开关电路
uGP
Ron Ron(P)
采样定义：依据采样定理按照一定的时间间隔从连续的 模拟信号中抽取一系列的时间离散样值。
采样频率：
fs
=
1 T
模拟信号最大频率为fmax
fs>2fmax
在在频实域际里工面作看中看，采fs>样1定0fm理ax：，我们原来的波形才不失真。