测控电路 第六章 信号转换电路

当 U+＞U- 时 Uo=Uo+
U+＜U- 时 Uo=Uo（2）运放的输入电流等于零。
电压比较器及其特性
Uo -1 +1 a) 图 6-12 电压比较器及其特性
ui UR
# Uo
ui<UR
ui>UR ui
O
UR b)
当 ui＞UR 时, Uo=“0” ui＜UR 时, Uo=“1” UR被称作门限电平或基准电压。
Uo “1” U
可调
E
UZ VS
& Uo
O
UR2
UR1
ui
“0”
U R2 E UZ
下限比 较器
U R1 U Z RP /( R1 RP ) U R 2 KU Z U R 2
当ui<UR2时， Uo1=“1”，Uo2=“0”，则Uo= “1”； 当UR2<ui<UR1时， Uo1 =“1”， Uo2 =“1”，则UO=“0”； 当ui>UR1时， Uo1 =“0”， Uo2 =“1”，则UO =“1”。
二、滞回比较电路
从电路的输出端到运算放大器同相输入端间引入一正反馈。
U R -U P U P -U O = R2 R1
Uo R ui UR R2 +1 R1 -1 # Uo O U1 U2 ui
R1 R2 UP = UR + UO R1 + R2 R1 + R2
a)
b)
设UOm ＋ ＝－UOm－＝Uom UI<UP， UOm＋＝ Uom UI>UP， Uom－＝－ Uom
T1 R1C U1 U 2 ui
R6
（2）放电时间T2 设 rce 为晶体管V的集电结ce结电阻。 U U2 I 1 2( R3 rce )
ui R1
V C
R3 R9 R4 uC + + N1 uP ∞ + + N2 R7 VS1 -U VS2 VS3 R8 uo
∞ -
R2 R5 -E
第二节 电压比较电路
功用



比较和鉴别两个模拟输入电压大小 波形变换——非正弦信号（方波、三角波等） 运算放大器必须工作在非线性区
集成运放的工作区分为线性区和 非线性区
+
非线性区
输出电压与输入电压之间 Uo≠Aod（U+-U-）
特点
（1）输出电压只有两种可能的状态： Uo+或Uo-，而Uo+不一 定等于Uo-。
不可 调
当vI<VL时， vOA1=VOL→D3截止，vOA2=VOH→D4导通, vO=VO2； 当VL<vI<VH时，vOA1=VOL→D3截止，vOA2=VOL→D4截止, vO=VOL=0；
当vI>VH时，
vOA1=VOH→D3导通，vOA2=VOL→D4截止,vO=VO1
比较器的应用电路1
当被测三极管的 < 150 或 > 250， LED不亮，表示不合格；当150 250，LED 亮，表示合格。已知电源电压Vcc=12V，三极管集电极电阻 R2=2K。 1 2V
R3 1k
1
W2 R1
*
Rb
U re f1 3 R2 2k 1K L ED 1
2
I C1 A
W1 100K
f0 1 1 ui T R1C U1 U 2
特点


Biblioteka 因为复位电路具有非线性，所以精度和动态范围 受到限制。 提高精度的主要措施是缩小复位时间。若要使非 线性误差从1％提高到0.01%，则复位时间必须减 小到最小信号周期的0.01％以下。当额定工作频 率为10KHZ时，信号的最小周期为0.1ms,这样，复 位时间必须小于0.01uS，这个要求通常很难满足。 必须改进复位电路，限制它的非线性影响。 常采用电荷平衡法，而集成压－频变换器几乎都是按
为了得到我们所需要的逻辑电平，一般在输出端加上限幅 电路或者箝位电路。如图所示。
三、窗口比较电路
用于检测输入信号电压是否在两个基准电压之间。 Ui单方向变化时，Uo变化两次。
基准电压 电路
R1 UR1 RP UR2 R2 ui -1 +1 N2 # Uo2 -1 +1 N1 # Uo1
上限比 较器
ui R1 V C ∞ + + N1 R2 R5 -E R6 -U uC uP R4 ∞ + + N2 R7 VS1 VS2 VS3 R8 uo R3 R9
R7 R6 U 2 U UZ R6 R7 R6 R7
（1）ui ＝0，uC＝0， uo输出负向限 幅电压。V截止。 u （2）ui >0，uC负向增加， uC≥U2时， O U 比较器输出uo由负向限幅电压突变为 U u O 正向限幅电压，V导通，电容C通过R3 u U U 放电，积分器输出迅速回升。 uo通过 正反馈电路使比较器同相端电压up突 uO 变为U1。
-E
电压频率转换电路

电荷平衡型
If
0
在一个周期中，积分电容 得到的电荷量于放出的电 荷量应相等，即 If×TSC = Ij.×Tj 输出脉冲频率可表示为 fsc = 1/Tsc = If/（Ij×Tj）
t
usc1
Em
0
－Em
t
usc2
0
t
usc3
0
t
Ij
I1
0
t
优点



（1）输出脉冲频率与输入电流有精密的线性关系。 可使非线性误差降到0.005％以下。 （2）在复位电路中采用了两个精密部件－定时电路 和恒流源，使放电电荷与输入信号无关，始终为定值， 提高了变换电路的线性度。 （3）易于集成化，通常将积分器，比较器，定时电 路，恒流源和缓冲器集成在一块硅片上，应用时外加 少量元件，就能调节比较器的门限电位，定时电路的 输出脉宽和恒流源的输出电流，从而提高了其适应能 力。
（1）充电时间T1
V C
R3 R9 R4 uC + uP ∞ + + N2 R7 VS1 -U VS2 VS3 R8 uo
积分器在充电过程的输出电压为
ui
R1
∞ + N1 R2 R5 -E
1 t uC t ui dt R1C 0
令充电持续时间为T1，则有
ui T1 U1 U 2 R1C
C
1
t
2
P
T
1
t T1 T2 t
2
o
（3）当积分器输出回升到uC≥U1时，比较器输出又由正向限幅 电压突变为负向限幅电压，V又处于截止状态，同时up恢复为U2， 积分器重新开始积分。
电压频率转换电路
uC O U1 t
U2
uP u OT U2 uo O U1 T1 T2 t t
输入电压越大，积分电容C充电电流及锯齿波电压的斜率 就越大，因此每次达到负向门限电压U2的时间也越短，输 出脉冲的频率就越高。
由于UO有两个值UOL和UOH，所以UP 也有两个，分别记为U1和U2： U1——下限触发电平 U2——上限触发电平
R2 R2 2R2 回差电压：U 2－U1 = UOH UOL UOM R1 + R2 R1 + R2 R1 + R2
优点：可以消除“振铃”现象。但是，回差电压要合理 选取
可以用作波形变换电路或整形电路。
Uo -1 +1 a) 图 6-12 电压比较器及其特性 ui UR # Uo O UR b) ui ui<UR ui>UR
UR=0时，称为过零比较器，又称鉴零器。 缺点：当ui=UR时，存在共模电压。
（b）求和型电平比较电路
U n < 0,U o = +U omax U n > 0,U o = -U omax
R6
放电持续时间T2为
U 2 U1 | U 2 U1 | T2 | | C 2( R3 rce )C I U1 U 2
因此，充放电周期为
2( R3 rce )C R1 T T1 T2 (U1 U 2 )C[ | |] ui U1 U 2
为提高V/f转换的线性度，要求第一项远远大于第二项
电压比较器的分类

电平比较电路（单限比较）
差动型电平比较电路 求和型电平比较电路


滞回比较电路（单限比较） 窗口比较电路（双限比较）
一、 电平比较电路（单阈值比较器）
（a）差动比较电路
当ui>UR时， UO = 0 (逻辑低电 平） ui<UR时，UO = 1 (逻辑高电 平）； 由于失调电压的存在，在精密的 比较中必须补偿输入失调电压； 若UOS 在同相输入端为正，若阈值 为UR，则比较器输入参考电平应 为UR-UOS;

具有迟滞回差形状；可以消除振铃现象，回差电压越小， 抗干扰特性越好。 具有两个门限电压。

窗口比较电路（双限比较）

第三节 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)。 应用：在调频，调相和A/D变换等许多技术领 域得到非常广泛的应用。 分类：积分复原型和电荷平衡型两种。
Uo
a)
Uo
ui<UR
ui>UR
UR O
ui
un
UR
ui Uo M N P Q
优点：阈值可变，不会造成共模电压 缺点：振铃现象
为了得到我们所需要的逻辑电平，一般在输出端加上限幅 电路或者箝位电路。
R1 VI <－ Vk，Vo＝＋(Vz＋Vd ) R2 R1 VI >－ Vk，Vo＝-(Vz＋Vd ) R2
Uc
W3 10K
5 7
U re f2 6
I C1 B
被 测 三 极 管
注 ： 10v>Uref1>Uref2
4
8
LM393电压比较器
电压比较器小结

电平比较电路（单限比较）

差动型电平比较电路

输入失调电压影响，存在共模电压； 没有共模电压，存在振铃现象；

求和型电平比较电路


滞回比较电路（单限比较）
第六章 信号转换电路
知识回顾：
1. 对测控电路的主要要求有哪些？
2.为什么说测控电路是测控系统中最灵活
的环节？
对信号转换电路的要求：
线性转换
较大的输入阻抗
较大的驱动能力和动态范围
其它应用要求
信号转换电路分类
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---传感器 ② 电量之间的转换（★） ③ 从电量到物理量的转换---调节器
第三节 电压频率转换电路

积分复原型
组成：积分器、比较器和积分复原开关等
V C ∞ + + N1 R2 R5 -E R6 -U uC uP R4 ∞ + + N2 R7 VS1 VS2 VS3 R8 uo R3 R9
ui
R1
由N2、R5～R8组成的滞回比较器的正相输入端两个门限电平为
U1 U R7 R6 UZ R6 R7 R6 R7
这种方案设计的。利用这种方法，可以得到精度很高， 动态范围很宽的压－频变换器。
电压频率转换电路
CF

电荷平衡型
Rf
－

If I1
D1
A1
＋
usc1
＋

usc2
-Em D2
A2
－
定时 电路
usc3
Ij
复位电路由定时电路、恒流源Ij和二极管D1,D2组成，复位电 路的工作由比较器A2控制，每当比较器的输出从高电位变到 低电位时，定时电路就输出一个脉宽固定为Tj的负脉冲，使 D2截止，D1导通，可见，比较器的输出每变换一次状态，复 位电路从积分电容上取走一份固定的电荷量IjTj。
由迟滞比较器组成的方波发生器
电源刚接通时， 设 所以
R2 VP Vz R2 R3
此时，电容C充电，vc升高。
当vc＝VN≥VＰ时，vo＝-Vz，所以
VP R2 Vz R2 R3
电容C放电， vc下降。 当vc＝VN≤VＰ时，vo＝+Vz，返回初态。
窗口比较器应用
——三极管 值分选电路
vi和光成正比。 在夜间，vi<VREF,vo在Vs＝＋15V附 近，此时晶体管导通；继电器开关 中的电流就使街灯打开。 在白天，光电探测器中的输出信号使得 vi>VREF，此时， vo在Vs＝－15V附近，晶 体管截止。 在傍晚和黎明， vi＝VREF。
比较器的应用电路2

用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输 入波形整形为方波输出。
U I -U n U -U n R1U + R2U I + = 0 Un = R1 R2 R2 + R1
R U I > - 1 U,U o = -U omax R2 R1 U I < - U,U o = +U omax R2 R1 - U 称为门限电平。 R2
ui U
R1 R2 Σ -
∞
+
+ R
电压频率转换电路

集成V/F转换器LM131
精 密 电流源
+U 8
R 输入 比较 器 Q 偏流 S RS 触发器 7 比较 输入
精度高
线性度高
CL 电流 输出 RL 基准 电压 1 2
电 开 1.9V
流 关
+
6 域值
Rt
温度系数低
+ iS uo 3 频率 输出
功耗低
动态范围宽
基准 比较 器
Q
基 电 V 准 源