测控电子技术第四章 信号转换辅助电蹯
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“保持”状态：电路的输出为采样结束时刻的输入信号的瞬时值，该状态一直持续到新 的采样指令的到来。 1.采样/保持器(S/H)的基本结构及工作原理 组成: 输入缓冲放大器 采样/保持开关及控制电路 保持电容和输出缓冲放大器 开环 闭环 用于高速采样/保持器 用于高精度采样/保持器
15
结构
1)开环采样/保持器 又称串联型采样/保持器, 原理：
比较点电压的选择灵活。 适用于比较两个极性相反变化的模拟信号。 任意电平比较器
优点灵敏度高 缺点：易受干扰。
4
2)滞回电平比较器 任意电平比较器“振铃”现象： 被测信号叠加一定的干扰信号时， 比较器产生振荡，造成误翻转。
造成后续电路的误动作。
解决方法： 采用滞回比较器（施密特触发器） 在比较器的同相端加入少量正反馈。
图4.1.12 输出积分器反馈型S/H原理电路
18
2.采样/保持器的主要技术特性
(l) 捕捉时间tAC(Acquisition time)
采样/保持器从保持状态转换为采样状态时，S/H的输出从原保持值过渡到跟踪 输入信号的过程时间称为捕捉时间。 它是模拟开关的导通延迟时间与建立跟踪的稳定过程时间之和。
积分器
39
4.3.2 频率/电压转换电路 原理： 单稳态触发器,产生脉宽 为Tw的输出脉冲序列,控 制恒流源IR流向负载电阻 RL和负载电容CL。 RL上的平均电流= 低通滤波器 输出电压:
40
采用LM331进行f/V转换的电路
41
提供的总电荷量
根据电荷平衡原理： 输出端平均电压：
42
第4章信号转换电路 4.1 信号转换辅助电蹯 4.1.1 电压比较电路 1.典型电压比较器 1)任意电平比较器 2)滞回电平比较器 3） 窗口比较器 2.集成电压比较器及应用 专用的集成运算放大器
图4.1.1 电压比较器及其理想特性
是输出发生变化的临界点;
集成电压比较器
差动输入级：低失调电压和失调电流,宽的共模输入电压范围等 高增益放大级：高的分辨力和转换速率。 逻辑电平输出级：可直接与各类数字逻辑电路相接 2
1.典型电压比较器
1)任意电平比较器 (1)差动型电平比较器 最基本的应用。 VR
：
门限电平(又称基准电平)
将VR和Vin对调,传输特性相反。 • 失调电压Vos的影响： 实际基准电平：VR+Vos，
降低了比较器灵敏度。
• 鉴零器或称过零比较器： 当VR=0时，Vos比较器的分辨力。
3
(2)求和型电平比较电路 特点：两个相比较的电压均加在反相端。
翻转电平：
V_=0时
图4,1.2 求和型任意电平比较器
45
① 改变R1/R2可以调节滞回电平，同时也影响上、下比较电压，三个参 数不能独立调节。 ② 比较电压的精度受比较器输出电位的影响，精度不高
9
3） 窗口比较器 功能：判断输入信号电平是否在 某一范围内。
任意电平比较器
应用：如在产品的自动分选、质量鉴别等。
图4.1,7 窗口比较器及传输特性
10
改进方案： 交叉反馈滞回比较器
应用：模数转换器的前置输入电路。 控制方式
全硬件电路控制 软硬件相结合 主流控制模式
(1)全硬件电路控制 由时钟电路和数字逻辑电路实现。
低电平期间控制S/H保持 时钟低电平到来时,启动A/D转换
S/H的控制
时钟信号
启动转换
图4.1.15 采样保持器的全硬件电路控制
24
(2)软硬件结合控制方式
硬件设计完备的前提下， 由软件控制S/H的动作。
图4.1.3 过零比较器的“振铃”现象
5
（1）零电压滞回比较器的电路原理：
传输特性：迟滞回线的形状。
(a)零电平滞回比较器
比较电平:
• Δ V选择合适，可消除“振铃”； • Δ V降低比较灵敏度； Δ V不宜大，通常R1>>R2；
(b)传输特性
6
（2）任意电平滞回比较器 ❶下行滞回特性: 比较电平：
图4.1.16 S/H的软硬件结合控制方式
图4.1.17 软硬件结合控制的软件流程
S/H的控制信号 A/D转换器的启动信号
由锁存器的数据位控制，数据由软件写入。
25
4.1.3 精密检波电路 1.精密检波电路的机理 检波：使输入信号中符合电路设计条件的信号通过电路输出,阻隔其余部分信号通过 电路的过程。 非线性检波：检波电路的输入输出不成比例关系，如桥式整流电路。 线性检波（精密检波）：单极性的直流输出与输入交流信号的幅值呈线性比例关系。 二极管：伏安特性非线性、存在阈值电压， 无法精密线性检波。 二极管等效电路：
12
1)多谐振荡器 工作原理： 比较器的输出方波的频率与时间常数R3C1， 电平与R1、R2和R4的阻值有关。
图4.1,8 多谐振荡器
13
2)数字传输隔离器
电路是一个光电隔离型反相数字传输电路。
图4.1.9 数字传输隔离器
14
4.1.2 采样/保持电路 两种工作状态。
“采样”状态：电路的输出跟踪输入信号变化而变化,
采样/保持开关
输出缓冲放大器
输入缓冲放大器 保持电容 控制电压 图4.1.10 开环采样/保持器原理图
特点：简单、速度快， 精度低（由于两个缓冲放大器的失调叠加后直接输出）。 用于要求高速但对精度要求低的场合。 典型产品是美国Analog Device公司的HTS-0010和HTS-0025。
16
2)闭环采样/保持器 又称反馈型采样/保持器 (1)输出跟随器反馈型 原理: Al：是高增益差动放大器
第4章信号转换电路
作用：使具有不同输入、输出的电路单元或子系统可以联用，达到易于测量或控制的 目的。
信号转换电路
电压/电流转换 交流/直流转换 电压/频率转换 数模转换 模数转换
辅助电路
电平比较电路 检波电路 采样/保持电路
1
4.1 信号转换辅助电蹯
模拟量
数字量
4.1.1 电压比较电路 功能：鉴别和比较两个模拟输 入电压大小的电路。
精密电流源电流:
。当Vin>Vc时,触发单稳产生
高电平脉冲,开关s导通
CL充电
36
3脚输出低电平脉宽为ton,周期为T的方波。
图4.3.2 LM331/f转换波形图
37
根据电荷平衡原理有 输出脉冲的频率：
38
由LM331构成的精密V/f转换电路
调整Rs(约为14.2kΩ ) 使 Vin=-10V时,电路的频率的满 度输出值为10kHz。
保证转换精度和较大的适应范围
4.2.1 电流/电压转换器 I/V转换器：将输入电流转换为成线性关系的输出电压。 1)基本I/V转换电路 反相输入型转换电路： 设A为理想运算放大器,则
与负载无关。
31
2）同相输入型I/V转换电路
元件的选择： R1 ：根据电流输出器件(如传感器)对负载的要求确定, 为几百欧姆数量级。 R2及R3： 根据i与Vo的范围决定。 R4： 避免运算放大器的偏置电流造成误差
(2) 孔径时间tAP(Aperture time）
从保持命令发出到模拟开关完全断开所延迟的时间。
在该时间段内，输出仍跟踪输入的变化。
19
2.采样/保持器的主要技术特性 (3) 保持电压下降速率(Droop Rate) 保持期间电容电压的变化，即保持电压的变化速率。 式中：ID—保持阶段电容的泄漏电流。 减小下降速率的方法是减小漏电流。 运放 选择 模拟开关 保持电容：优质薄膜电容。 重要 (4)馈送(Feedthrough) 在保持期间，输出随输入信号的微小变化。 原因：模拟开关的寄生电容的耦合作用引起的----直通耦合。 耦合作用随输入信号频率的提高而增强。
特点：参数可独立调节，精度高， 高输入阻抗。
图4.1.6 交叉反馈滞回比较器
11
2.集成电压比较器及应用 专用的集成运算放大器 例：LM111 特点: ①宽电源范围： ±15V，+5V单电源； ②低输入电流：输入电流15nA。失调电流20nA; ③差动输入电压范围：±30V; ④输出兼容RTL、DTL、TTL和MOS电平。 应用举例：
32
光电池 光电二极管 光电阻
看作电流源 输出电阻高，微电流的测量 前两种电路微电流放大器
应用：激光、光纤技术的精密测量仪器
33
3) 4~20 m A/0~5V转换电路 由节点方程可知
若取R=200Ω ,R1=18kΩ ,R5=43kΩ ,Rf=7.14kΩ , 调整Rp1使Vf=7.53V,则有Vo=0~5V
非线性
简单的二极管电路无法实现精密检波。
26
实现精密检波要解决两个问题: ① 改善二极管的非线性特性，实现线性转换关系; ② 减小二极管阈值电压的影响，提高转换的灵敏度。 解决方法：用运放与二极管构成负反馈放大电路。 精密半波检波电路： 反相放大器形式。
设输入信号
当输入电压为负时，且 负半周的检波 波形及检波特性：
输出跟随器反馈型 输出积分器反馈型
漏电
图4.1.11 输出跟随器反馈型S/H原理电路
采样时：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ保持时：
跟踪精度较高。 典型芯片：LF198系列S/H。
消除失调电压Vos2的影响。
17
(2)输出积分器反馈型 原理： 保持电容：积分电容， 开关工作于地电位，避 免保持电容通过开关的 漏电。
充电
典型产品AD582和AD585。
27
二极管的非理想性的等效电路：
28
改善了检波的线性度和灵敏度. 近似于理想状态 与理想情况的绝对误差: 线性检波或精密检波
相对误差
29
2.精密全波检波电路 高输入阻抗绝对值电路
相当于电压跟随器组态。
绝对值计算 输入电阻很高,可达10MΩ 以上，注意运放的共模抑制和最大共模输入电压。
30
4.2 电压/电流相互转换电路 应用：控制系统及测量设备。 I /V转换器：低的输入阻抗及输出阻抗。 Ⅴ/I转换器：高的输入阻抗及输出阻抗。
1)通用型集成采样/保持器AD585
2)采样/保持器的控制 4.1.3 精密检波电路 1.精密检波电路的机理 2.精密全波检波电路
44
4.2 电压/电流相互转换电路 4.2.1 电流/电压转换器
1)基本I/V转换电路
2）同相输入型I/V转换电路 3) 4~20 m A/0~5V转换电路 4.2.2 电压/电流转换器 4.3 电压/频率相互转换电路 4.3.1 电压/频率转换电路 4.3.2 频率/电压转换电路
(1)差动型电平比较器 (2)求和型电平比较电路
1)多谐振荡器 2)数字传输隔离器
43
4.1.2 采样/保持电路 1.采样/保持器(S/H)的基本结构及工作原理 1)开环采样/保持器 2)闭环采样/保持器 (1)输出跟随器反馈型
(2)输出积分器反馈型 2.采样/保持器的主要技术特性 3.集成采样/保持器及控制
滞回电平：
下行滞回特性： Vin上升至VH 时，VO由VOH→ VOL 。
(a)下行滞回特性
7
❷上行滞回特性
比较电平：
滞回电平： 上行滞回特性： Vin上升至VH 时，VO由VOL→VOH
(b)上行滞回特性
8
两个基本滞回比较器是其他类型的滞回比较器的基础电路。
改变参考电压VR可同时调节上、下比较电平,而不影响滞回电平; 缺点：
34
4.2.2 电压/电流转换器 性能要求: 线性关系; 恒流。 1A高稳定度精密恒流源 电路: 1V精密电压基准源 V/I转换电路 电流放大电路 lV
功率管
功率精密标准电阻
35
4.3 电压/频率相互转换电路 4.3.1 电压/频率转换电路 优点：频率信号抗干扰性好,便于远距离传输,可进行无线传输,也可调制成光脉冲用 光纤传送,不受电磁场影响。 应用：非快速远距离测量。 原理:电荷平衡型V/f转换。 开关电流源 LM331V/f转换器： 功能框图：
20
3.集成采样/保持器及控制 1)通用型集成采样/保持器AD585 输出积分器反馈型。
主要技术指标：
捕捉时间3μs, 保持电压下降速率小于1mV/ms,
孔径时间35ns 。
引脚及内部框图： 内部集成
保持电容
增益调节电阻
图4.1.13 AD585引脚及功能框图
21
几种用法：
22
23
2)采样/保持器的控制
15
结构
1)开环采样/保持器 又称串联型采样/保持器, 原理：
比较点电压的选择灵活。 适用于比较两个极性相反变化的模拟信号。 任意电平比较器
优点灵敏度高 缺点：易受干扰。
4
2)滞回电平比较器 任意电平比较器“振铃”现象： 被测信号叠加一定的干扰信号时， 比较器产生振荡，造成误翻转。
造成后续电路的误动作。
解决方法： 采用滞回比较器（施密特触发器） 在比较器的同相端加入少量正反馈。
图4.1.12 输出积分器反馈型S/H原理电路
18
2.采样/保持器的主要技术特性
(l) 捕捉时间tAC(Acquisition time)
采样/保持器从保持状态转换为采样状态时，S/H的输出从原保持值过渡到跟踪 输入信号的过程时间称为捕捉时间。 它是模拟开关的导通延迟时间与建立跟踪的稳定过程时间之和。
积分器
39
4.3.2 频率/电压转换电路 原理： 单稳态触发器,产生脉宽 为Tw的输出脉冲序列,控 制恒流源IR流向负载电阻 RL和负载电容CL。 RL上的平均电流= 低通滤波器 输出电压:
40
采用LM331进行f/V转换的电路
41
提供的总电荷量
根据电荷平衡原理： 输出端平均电压：
42
第4章信号转换电路 4.1 信号转换辅助电蹯 4.1.1 电压比较电路 1.典型电压比较器 1)任意电平比较器 2)滞回电平比较器 3） 窗口比较器 2.集成电压比较器及应用 专用的集成运算放大器
图4.1.1 电压比较器及其理想特性
是输出发生变化的临界点;
集成电压比较器
差动输入级：低失调电压和失调电流,宽的共模输入电压范围等 高增益放大级：高的分辨力和转换速率。 逻辑电平输出级：可直接与各类数字逻辑电路相接 2
1.典型电压比较器
1)任意电平比较器 (1)差动型电平比较器 最基本的应用。 VR
：
门限电平(又称基准电平)
将VR和Vin对调,传输特性相反。 • 失调电压Vos的影响： 实际基准电平：VR+Vos，
降低了比较器灵敏度。
• 鉴零器或称过零比较器： 当VR=0时，Vos比较器的分辨力。
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(2)求和型电平比较电路 特点：两个相比较的电压均加在反相端。
翻转电平：
V_=0时
图4,1.2 求和型任意电平比较器
45
① 改变R1/R2可以调节滞回电平，同时也影响上、下比较电压，三个参 数不能独立调节。 ② 比较电压的精度受比较器输出电位的影响，精度不高
9
3） 窗口比较器 功能：判断输入信号电平是否在 某一范围内。
任意电平比较器
应用：如在产品的自动分选、质量鉴别等。
图4.1,7 窗口比较器及传输特性
10
改进方案： 交叉反馈滞回比较器
应用：模数转换器的前置输入电路。 控制方式
全硬件电路控制 软硬件相结合 主流控制模式
(1)全硬件电路控制 由时钟电路和数字逻辑电路实现。
低电平期间控制S/H保持 时钟低电平到来时,启动A/D转换
S/H的控制
时钟信号
启动转换
图4.1.15 采样保持器的全硬件电路控制
24
(2)软硬件结合控制方式
硬件设计完备的前提下， 由软件控制S/H的动作。
图4.1.3 过零比较器的“振铃”现象
5
（1）零电压滞回比较器的电路原理：
传输特性：迟滞回线的形状。
(a)零电平滞回比较器
比较电平:
• Δ V选择合适，可消除“振铃”； • Δ V降低比较灵敏度； Δ V不宜大，通常R1>>R2；
(b)传输特性
6
（2）任意电平滞回比较器 ❶下行滞回特性: 比较电平：
图4.1.16 S/H的软硬件结合控制方式
图4.1.17 软硬件结合控制的软件流程
S/H的控制信号 A/D转换器的启动信号
由锁存器的数据位控制，数据由软件写入。
25
4.1.3 精密检波电路 1.精密检波电路的机理 检波：使输入信号中符合电路设计条件的信号通过电路输出,阻隔其余部分信号通过 电路的过程。 非线性检波：检波电路的输入输出不成比例关系，如桥式整流电路。 线性检波（精密检波）：单极性的直流输出与输入交流信号的幅值呈线性比例关系。 二极管：伏安特性非线性、存在阈值电压， 无法精密线性检波。 二极管等效电路：
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1)多谐振荡器 工作原理： 比较器的输出方波的频率与时间常数R3C1， 电平与R1、R2和R4的阻值有关。
图4.1,8 多谐振荡器
13
2)数字传输隔离器
电路是一个光电隔离型反相数字传输电路。
图4.1.9 数字传输隔离器
14
4.1.2 采样/保持电路 两种工作状态。
“采样”状态：电路的输出跟踪输入信号变化而变化,
采样/保持开关
输出缓冲放大器
输入缓冲放大器 保持电容 控制电压 图4.1.10 开环采样/保持器原理图
特点：简单、速度快， 精度低（由于两个缓冲放大器的失调叠加后直接输出）。 用于要求高速但对精度要求低的场合。 典型产品是美国Analog Device公司的HTS-0010和HTS-0025。
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2)闭环采样/保持器 又称反馈型采样/保持器 (1)输出跟随器反馈型 原理: Al：是高增益差动放大器
第4章信号转换电路
作用：使具有不同输入、输出的电路单元或子系统可以联用，达到易于测量或控制的 目的。
信号转换电路
电压/电流转换 交流/直流转换 电压/频率转换 数模转换 模数转换
辅助电路
电平比较电路 检波电路 采样/保持电路
1
4.1 信号转换辅助电蹯
模拟量
数字量
4.1.1 电压比较电路 功能：鉴别和比较两个模拟输 入电压大小的电路。
精密电流源电流:
。当Vin>Vc时,触发单稳产生
高电平脉冲,开关s导通
CL充电
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3脚输出低电平脉宽为ton,周期为T的方波。
图4.3.2 LM331/f转换波形图
37
根据电荷平衡原理有 输出脉冲的频率：
38
由LM331构成的精密V/f转换电路
调整Rs(约为14.2kΩ ) 使 Vin=-10V时,电路的频率的满 度输出值为10kHz。
保证转换精度和较大的适应范围
4.2.1 电流/电压转换器 I/V转换器：将输入电流转换为成线性关系的输出电压。 1)基本I/V转换电路 反相输入型转换电路： 设A为理想运算放大器,则
与负载无关。
31
2）同相输入型I/V转换电路
元件的选择： R1 ：根据电流输出器件(如传感器)对负载的要求确定, 为几百欧姆数量级。 R2及R3： 根据i与Vo的范围决定。 R4： 避免运算放大器的偏置电流造成误差
(2) 孔径时间tAP(Aperture time）
从保持命令发出到模拟开关完全断开所延迟的时间。
在该时间段内，输出仍跟踪输入的变化。
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2.采样/保持器的主要技术特性 (3) 保持电压下降速率(Droop Rate) 保持期间电容电压的变化，即保持电压的变化速率。 式中：ID—保持阶段电容的泄漏电流。 减小下降速率的方法是减小漏电流。 运放 选择 模拟开关 保持电容：优质薄膜电容。 重要 (4)馈送(Feedthrough) 在保持期间，输出随输入信号的微小变化。 原因：模拟开关的寄生电容的耦合作用引起的----直通耦合。 耦合作用随输入信号频率的提高而增强。
特点：参数可独立调节，精度高， 高输入阻抗。
图4.1.6 交叉反馈滞回比较器
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2.集成电压比较器及应用 专用的集成运算放大器 例：LM111 特点: ①宽电源范围： ±15V，+5V单电源； ②低输入电流：输入电流15nA。失调电流20nA; ③差动输入电压范围：±30V; ④输出兼容RTL、DTL、TTL和MOS电平。 应用举例：
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光电池 光电二极管 光电阻
看作电流源 输出电阻高，微电流的测量 前两种电路微电流放大器
应用：激光、光纤技术的精密测量仪器
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3) 4~20 m A/0~5V转换电路 由节点方程可知
若取R=200Ω ,R1=18kΩ ,R5=43kΩ ,Rf=7.14kΩ , 调整Rp1使Vf=7.53V,则有Vo=0~5V
非线性
简单的二极管电路无法实现精密检波。
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实现精密检波要解决两个问题: ① 改善二极管的非线性特性，实现线性转换关系; ② 减小二极管阈值电压的影响，提高转换的灵敏度。 解决方法：用运放与二极管构成负反馈放大电路。 精密半波检波电路： 反相放大器形式。
设输入信号
当输入电压为负时，且 负半周的检波 波形及检波特性：
输出跟随器反馈型 输出积分器反馈型
漏电
图4.1.11 输出跟随器反馈型S/H原理电路
采样时：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ保持时：
跟踪精度较高。 典型芯片：LF198系列S/H。
消除失调电压Vos2的影响。
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(2)输出积分器反馈型 原理： 保持电容：积分电容， 开关工作于地电位，避 免保持电容通过开关的 漏电。
充电
典型产品AD582和AD585。
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二极管的非理想性的等效电路：
28
改善了检波的线性度和灵敏度. 近似于理想状态 与理想情况的绝对误差: 线性检波或精密检波
相对误差
29
2.精密全波检波电路 高输入阻抗绝对值电路
相当于电压跟随器组态。
绝对值计算 输入电阻很高,可达10MΩ 以上，注意运放的共模抑制和最大共模输入电压。
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4.2 电压/电流相互转换电路 应用：控制系统及测量设备。 I /V转换器：低的输入阻抗及输出阻抗。 Ⅴ/I转换器：高的输入阻抗及输出阻抗。
1)通用型集成采样/保持器AD585
2)采样/保持器的控制 4.1.3 精密检波电路 1.精密检波电路的机理 2.精密全波检波电路
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4.2 电压/电流相互转换电路 4.2.1 电流/电压转换器
1)基本I/V转换电路
2）同相输入型I/V转换电路 3) 4~20 m A/0~5V转换电路 4.2.2 电压/电流转换器 4.3 电压/频率相互转换电路 4.3.1 电压/频率转换电路 4.3.2 频率/电压转换电路
(1)差动型电平比较器 (2)求和型电平比较电路
1)多谐振荡器 2)数字传输隔离器
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4.1.2 采样/保持电路 1.采样/保持器(S/H)的基本结构及工作原理 1)开环采样/保持器 2)闭环采样/保持器 (1)输出跟随器反馈型
(2)输出积分器反馈型 2.采样/保持器的主要技术特性 3.集成采样/保持器及控制
滞回电平：
下行滞回特性： Vin上升至VH 时，VO由VOH→ VOL 。
(a)下行滞回特性
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❷上行滞回特性
比较电平：
滞回电平： 上行滞回特性： Vin上升至VH 时，VO由VOL→VOH
(b)上行滞回特性
8
两个基本滞回比较器是其他类型的滞回比较器的基础电路。
改变参考电压VR可同时调节上、下比较电平,而不影响滞回电平; 缺点：
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4.2.2 电压/电流转换器 性能要求: 线性关系; 恒流。 1A高稳定度精密恒流源 电路: 1V精密电压基准源 V/I转换电路 电流放大电路 lV
功率管
功率精密标准电阻
35
4.3 电压/频率相互转换电路 4.3.1 电压/频率转换电路 优点：频率信号抗干扰性好,便于远距离传输,可进行无线传输,也可调制成光脉冲用 光纤传送,不受电磁场影响。 应用：非快速远距离测量。 原理:电荷平衡型V/f转换。 开关电流源 LM331V/f转换器： 功能框图：
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3.集成采样/保持器及控制 1)通用型集成采样/保持器AD585 输出积分器反馈型。
主要技术指标：
捕捉时间3μs, 保持电压下降速率小于1mV/ms,
孔径时间35ns 。
引脚及内部框图： 内部集成
保持电容
增益调节电阻
图4.1.13 AD585引脚及功能框图
21
几种用法：
22
23
2)采样/保持器的控制