第6章 信号转换电路剖析
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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。
计量测试工程学院 朱维斌
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
计量测试工程学院 朱维斌
（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。
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 )
6章信号产生与变换电路
C
1 f0 2 LC
振荡频率仅取决于电感L和电容C，与C1、C2和管子的极 间电容关系很小，因此振荡频率的稳定度较高，其频率稳定 度的值可小于0.01％。再高的稳定度 时，要用晶体振荡器。
6.1.4 石英晶体正弦波振荡电路
1．石英晶体的基本知识
（1）压电特性
在石英晶片两极加一电场，晶片会产生机械变形。相 反，若在晶片上施加机械压力，则在晶片相应的方向上会 产生一定的电扬，这种现象称为压电效应。一般情况下， 晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅都非常小，只有在 外加某一特定频率交变电压时，振幅才明显加大，这种现 象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。上述 特定频率称为晶体的固有频率或谐振频率。
三角波振荡电路 锯齿波振荡电路
6.1 正弦波振荡电路
在科学研究、工业生产、医学、通讯、测量、自 控和广播技术等领域里，常常需要某一频率的正弦波 作为信号源。例如，在实验室，人们常用正弦波作为 信号源，测量放大器的放大倍数，观察波形的失真情 况。在工业生产中， ，应用高频正弦信号可以进行感 应加热，利用超声波可以探测金属内的缺陷；在医疗 仪器中，利用超声波可以检测人体内器官的病变。在 通讯和广播中更离不开正弦波。可见，正弦波应用非 常广泛，只是应用场合不同，对正弦波的频率、功率 等的要求不同而已。 正弦波振荡电路又叫正弦波产生电路。
为了减少管子的极间电容对振荡频率的影响，可在电感 L支路中串接电容C，使谐振频率主要由L和C决定，而Cl和 C2只起分压作用。
电容三点式改进电路
+VCC Rb1 Cb C1 Rb2 Ce uf Re C2 L
Rc
1 f0 2 LC
1 1 1 1 1 C C C1 C2 C
1．石英晶体的基本知识 （2）等效电路
1 f0 2 LC
振荡频率仅取决于电感L和电容C，与C1、C2和管子的极 间电容关系很小，因此振荡频率的稳定度较高，其频率稳定 度的值可小于0.01％。再高的稳定度 时，要用晶体振荡器。
6.1.4 石英晶体正弦波振荡电路
1．石英晶体的基本知识
（1）压电特性
在石英晶片两极加一电场，晶片会产生机械变形。相 反，若在晶片上施加机械压力，则在晶片相应的方向上会 产生一定的电扬，这种现象称为压电效应。一般情况下， 晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅都非常小，只有在 外加某一特定频率交变电压时，振幅才明显加大，这种现 象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。上述 特定频率称为晶体的固有频率或谐振频率。
三角波振荡电路 锯齿波振荡电路
6.1 正弦波振荡电路
在科学研究、工业生产、医学、通讯、测量、自 控和广播技术等领域里，常常需要某一频率的正弦波 作为信号源。例如，在实验室，人们常用正弦波作为 信号源，测量放大器的放大倍数，观察波形的失真情 况。在工业生产中， ，应用高频正弦信号可以进行感 应加热，利用超声波可以探测金属内的缺陷；在医疗 仪器中，利用超声波可以检测人体内器官的病变。在 通讯和广播中更离不开正弦波。可见，正弦波应用非 常广泛，只是应用场合不同，对正弦波的频率、功率 等的要求不同而已。 正弦波振荡电路又叫正弦波产生电路。
为了减少管子的极间电容对振荡频率的影响，可在电感 L支路中串接电容C，使谐振频率主要由L和C决定，而Cl和 C2只起分压作用。
电容三点式改进电路
+VCC Rb1 Cb C1 Rb2 Ce uf Re C2 L
Rc
1 f0 2 LC
1 1 1 1 1 C C C1 C2 C
1．石英晶体的基本知识 （2）等效电路
信号转换电路
（一）差动比较电路
Uo
ui
-1
UR
+1
# Uo
a）电压比较器符号
ui<UR
ui>UR
O UR
ui
b）电压比较器特性
电压比较器是一种电压-开关信号转换器。
ui
-1
UR
+1
# Uo
a）电压比较器符号
Uo ui<UR
ui>UR
O UR
ui
b）电压比较器特性
1.由于比较器本身有失调电压UOS,基准电平实际为
采样保持电路是一种时间上离散化电路。
6.2 采样保持电路
∞
6.2.1 基本原理
∞
-
S
+
-
+
uo
+
采样保持电路
ui
+ N1
C UC
的基本组成：
（1）模拟开关
ui, uo
a）S/H电路原理
uo
f(t)பைடு நூலகம்
（2）模拟信号存
O
t
储电容
UC
（3）缓冲放大器
O
Ts
t
b）模拟信号采样
6.3 电压比较电路
➢ 模拟电压比较器是用来鉴别和比较两个模拟输入电 压大小的电路。
为了将模拟信号转换成数字，首先要进行采样。 采样保持电路用于一切需要对输入信号瞬时采样 和存储的场合，如自动补偿直流放大器的失调和漂移 等，最常见的是应用于快速数据采集系统，以保持输 入信号在采样过程中不变。
当系统有多个模拟信号时，为了采得各通道同一 时刻的信息时，则需用多个采样保持器进行同时采样。
快，可能比较器来不及转） Uo
模电第六部分波形产生和信号转换电路剖析
第二讲 非正弦波振荡电路
非正弦波形式很多，获取方式不外两种。一是由振荡电路直接产生， 二是由已有波形经变换而得。在非正弦波中矩形波获取又是基础。
第五部分 波形产生和信号转换电路
一、正弦波振荡电路 二、非正弦波振荡电路 三、信号转换电路
模电第六部分波形产生和信号转换 电路剖析
第一讲 正弦波振荡电路
一、自激振荡的原理 1、自激振荡的条件 V·f = V·i
V·i
K
V·f
A F
V·o
A··F·= 1
A·F = 1
幅值平衡条件
φa+φf =2nπ 相位平衡条件
ω0
=
1
RC
1
F=
（
1+
C2 C1
+
R1 R2
）
F=
1 3
F为实数说明无相移， 最大说明有选择性。
模电第六部分波形产生和信号转换 电路剖析
2、文氏电桥振荡电路
① 、电路结构
R1
Rf
－
C1
一级RC串并联网络和 正反馈放大电路构成
+
V·o
C2 R2 R3
＃如何选择正反 馈放大电路？
正反馈放大电路只能由两 级共射电路或运放组成的
+
+
V·i
C1 R1 C2
R2
V·o
－
－
Z·1= R1+
1 jωC1
Z·12
=
1 R2
+
jωC2
模电第六部分波形产生和信号转换 电路剖析
F·=
V·o V·i
=
（
1+
C2
C1
第6讲信号的转换共13页文档
为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？
若uImax<Uon，则在uI的整个周期中uO始终为零；若 uImax>Uon ，则uO仅在大于Uon近似为uI，失真。
精密整流电路的组成
uI 0
设R＝Rf uI 0时，uO' 0，D1截止， D2导通， uO uI。
uI 0
uI 0时，uO' 0，D2截止， D1导通， uO 0。
UT UT
R1>>R5
UZ UZ
UT
R2 R3
UZ
U TR 1 1CuIT 1U TR 1 1CuITU T
f 1 R3 uI T1 2R1R2C UZ
单位时间内脉冲个数表示电
若uI>0，则电路作何改动？ 压的数值，故实现A/D转换
2. 复位式压控振荡器
f R1Cu I U REF
uI
uP R1
uPuO， uOuP
R2
R3
uP R
iO
若R2 R1
R R3，则 iOuRI
电路既引入了负反馈，又引入了正反馈。
R RL L u iO P uO iO 相互抵消 iO稳 ， 定 则 如何求解输出电阻？
三、精密整流电路
精密整流电路是信号处理电路，不是电源中AC-DC的能量 转换电路；实现微小信号的整流。
第二十六讲 信号的转换
一、概述 二、u-i转换电路 三、精密整流电路 四、u-f转换电路
一、概述
• 信号的发送：调幅、调频、调相 • 信号的接收：解调 • 信号对负载的驱动：i-u，u-i • 信号的预处理：AC-DC（整流、检波、滤波）
DC-AC（斩波） • 信号的接口电路：A-D（如 u-f），D-A
若uImax<Uon，则在uI的整个周期中uO始终为零；若 uImax>Uon ，则uO仅在大于Uon近似为uI，失真。
精密整流电路的组成
uI 0
设R＝Rf uI 0时，uO' 0，D1截止， D2导通， uO uI。
uI 0
uI 0时，uO' 0，D2截止， D1导通， uO 0。
UT UT
R1>>R5
UZ UZ
UT
R2 R3
UZ
U TR 1 1CuIT 1U TR 1 1CuITU T
f 1 R3 uI T1 2R1R2C UZ
单位时间内脉冲个数表示电
若uI>0，则电路作何改动？ 压的数值，故实现A/D转换
2. 复位式压控振荡器
f R1Cu I U REF
uI
uP R1
uPuO， uOuP
R2
R3
uP R
iO
若R2 R1
R R3，则 iOuRI
电路既引入了负反馈，又引入了正反馈。
R RL L u iO P uO iO 相互抵消 iO稳 ， 定 则 如何求解输出电阻？
三、精密整流电路
精密整流电路是信号处理电路，不是电源中AC-DC的能量 转换电路；实现微小信号的整流。
第二十六讲 信号的转换
一、概述 二、u-i转换电路 三、精密整流电路 四、u-f转换电路
一、概述
• 信号的发送：调幅、调频、调相 • 信号的接收：解调 • 信号对负载的驱动：i-u，u-i • 信号的预处理：AC-DC（整流、检波、滤波）
DC-AC（斩波） • 信号的接口电路：A-D（如 u-f），D-A
信号转换电路优秀优秀课件
信号转换电路优秀优秀课件
第一节 采样保持电路
信号转换电路优秀优秀课件
第一节 采样保持电路
F (f)
O fm in fm ax F s(f)
E0 O F (f)* F s(f)
a)
E1 fs b)
f
E2
2 fs
f
O fm in fm ax fs- fm ax
fs
fs+ fmax
2 fs
f
fs＋fmin
电流模拟开关的特点是：不管负载电阻RL的大小如何， 流过开关的电流总是和被换接的电流Ix相等，而且换接 的电压则由RL*Ix决定。
信号转换电路优秀优秀课件
元件性能的影响和要求
• 模拟开关的分类（电压和电流开关）
VX
VK
RL
Ix
IK
RL
(a) 电压开关
(b) 电流开关
信号转换电路优秀优秀课件
元件性能的影响和要求
路
IN H
6
电 路
8
7
-E1
-E2
S1
S2
S3
S4
S5
输 出 /输 入
S6
S7
S8
图 6-7 CD 4051 原 理 图 信号转换电路优秀优秀课件
元件性能的影响和要求
• 存储电容
选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容器，如聚苯乙 烯，钽电容和聚碳酸脂电容器等。(原因：当电路从采样 转到保持，介质的吸附效应会使电容器上的电压下降，被 保持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，峰值检波器 复位时，电容放电，介质吸附效应会使放电后的电容电压 回升，引起小信号峰值的检波误差。电容器的泄漏电阻引 起电容上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持精度）
第一节 采样保持电路
信号转换电路优秀优秀课件
第一节 采样保持电路
F (f)
O fm in fm ax F s(f)
E0 O F (f)* F s(f)
a)
E1 fs b)
f
E2
2 fs
f
O fm in fm ax fs- fm ax
fs
fs+ fmax
2 fs
f
fs＋fmin
电流模拟开关的特点是：不管负载电阻RL的大小如何， 流过开关的电流总是和被换接的电流Ix相等，而且换接 的电压则由RL*Ix决定。
信号转换电路优秀优秀课件
元件性能的影响和要求
• 模拟开关的分类（电压和电流开关）
VX
VK
RL
Ix
IK
RL
(a) 电压开关
(b) 电流开关
信号转换电路优秀优秀课件
元件性能的影响和要求
路
IN H
6
电 路
8
7
-E1
-E2
S1
S2
S3
S4
S5
输 出 /输 入
S6
S7
S8
图 6-7 CD 4051 原 理 图 信号转换电路优秀优秀课件
元件性能的影响和要求
• 存储电容
选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容器，如聚苯乙 烯，钽电容和聚碳酸脂电容器等。(原因：当电路从采样 转到保持，介质的吸附效应会使电容器上的电压下降，被 保持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，峰值检波器 复位时，电容放电，介质吸附效应会使放电后的电容电压 回升，引起小信号峰值的检波误差。电容器的泄漏电阻引 起电容上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持精度）
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6.1 模拟开关
■ 主要参数
导通电阻Ron：开关闭合时的电阻； 截止电阻Roff：开关关断时的电阻，主要由漏电引起； 延迟时间：控制信号改变时对应产生的输出延迟时间。
■ 开关电路类型
增强型MOSFFT开关电路：N沟道增强型和CMOS 型； 集成模拟开关电路：在同一芯片上集成多个CMOS开关； 多路模拟开关电路：由地址译码器和多路模拟开关组成。
DB11-0
REF IN
CS R/C
REF OUT UCC
BIP AGND OFFSET
UEE
+5V
+12V 0.1µF 0.1µF
-12V
AD674的转换状态信号STS经非门接到AD781采样保持的 控制端。在CS=“0”,R/C=“0”时启动转换器转换。R/C=“0”使 STS=“1”，经非门S/H=“0”，AD781进入保持状态。当AD674 转换结束，STS=“0”使S/H=“1”，AD781进入采样状态。
C
uo
Uc
■ 采样保持电路的主要要求：精度和速度
为提高实际电路的精度和速度，可从元件和电路两方 面着手解决。
6.2 采样保持电路
元件性能要求
■ 模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流 小，极间电容小和切换速度快。
■ 存储电容：要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻 大的电容。
■ 运算放大器：选用输入偏置电流小、带宽宽及转 换速率（上升速率）大的运算放大器，输入运 放还应具有大的输出电流。
6.2 采样保持电路
6.2.1 基本原理
当控制信号Uc=“1” 时，S接通，ui向C充电，
ui
输出跟踪模拟输入信号
变化——采样阶段。
( uo=uc=ui )
ui,uo
∞
-+
S
+ N1
Uc
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ保持 采样
当控制信号Uc=“0”时， S断开，uo保持S断开瞬间的 输入信号值——保持状态。
( uo保持uc值 )
第6章 信号转换电路
作用：实现各种信号转换，如S/H、V/f、V/I、A/D。 ■ 6.1 模拟开关 ■ 6.2 采样保持电路 ■ 6.3 电压比较电路★ ■ 6.4 电压频率转换电路★ ■ 6.5 电压电流转换电路★ ■ 6.6 模拟数字转换电路★
第6章 信号转换电路
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信号的转换 —— 传感器 （2）电信号之间的转换 —— 转换电路 （3）从电信号到物理量的转换 —— 静态标定
■ 关断时间TAP：从发出保持指令的时刻起，直到模拟开关 (孔径时间) 真正断开为止所需的时间。
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。
6.2 采样保持电路
基本组成：
∞
1. 模拟开关
2. 存储电容
ui
3. 缓冲放大器
∞ -+ + N1
S
uc
-+ + N2
o
f
F(f )*Fs2(f )
o
f
6.2 采样保持电路
采样定理：
为保证采样后信号能真实地保留原模拟信号信息，防 止出现频率混叠现象，信号的采样频率必须至少为原模拟 信号中最高频率成分的2倍。这就是采样定理，即
fs
1 Ts
2
fmax
注意：满足采样定理，只能保证不发生频率混叠，而
不能保证此时的采样信号能真实地反映原模拟信号。在工
O
UC
O
Ts
∞
uc
-+ + N2
uo
C
uo ui t t
采样的时域与频域解释:
时域：将模拟信号f(t)与采样脉冲序列fs(t) 相乘的结果； 频域：将模拟信号F(f )与采样脉冲序列Fs(f ) 卷积的结果。
f(t)
F(f )
o
f(t) fs1(t) o
f(t) fs2(t) o
t
Ts
t
t
o
f
F(f )*Fs1(f ) 1/Ts
（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、 低输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。
6.3 电压比较电路
■ 作用：鉴别和比较两个模拟输入电压的大小。
当ui<UR时，Uo为高电平“1”；
当ui>UR时，Uo为低电平“0”；
6.3 电压比较电路
■ 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转换速率和增益-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。
来控制AD582开关S的断和通，使AD582处于保持/采样状态。
6.2.2 单片集成采样保持电路(AD781与AD674接口)
+12V
转换结束
0.1µF
UIN
UCC IN AD781 S/H
1
GND
OUT
UEE
0.1µF
-12V
100Ω 100Ω
CE 12/8 UL
STS
DGND
10VIN
A0
AD674
ui UR
-1 +1
# Uo
当ui=UR时，比较器翻转。
Uo=UR-ui
Uo
在高低电平变化瞬间，可
用“虚短”和“虚断”进行分析， ui<UR
34 5 偏移调节
67 C
Uc +5V 14 13 12 11 10
98
AD582
&
DG
∞ -
#S
+
+ N1
∞
-
+
+ N2
uo
模 ∩/# 状
R2
拟 量
态
输
R1 入
AD571
12 ui
34 5 偏移调节
67 C
Kf
1
R2 R1
将运放、NMOS管模拟开关S和与门控制电路DG集成在一 块芯片上(AD582)，其输出uo送入AD571的输入端，而AD571 的状态输出端与AD582的控制端相连。由AD571的输出状态
程实际应用中，为了保证数据采集精度，一般取
fs (5～20) fmax
6.2 采样保持电路
6.2.2 单片集成采样保持电路(AD582与AD571接口)
Uc +5V 14 13 12 11 10
uo 98
AD582
&
DG
∞ -
#S
+
+ N1
∞ -
+ + N2
模 ∩/# 状
拟
态
量
输
入
AD571
12 ui
6.2 采样保持电路
■ 作用：采集某一瞬间的模拟输入信号，根据需要保持并 输出此电压值。
■ 采样状态：电路输出信号稳定地跟踪模拟输入信号。 ■ 保持状态：电路输出信号保持采样结束时刻的瞬时值。 ■ 用途：主要用于快速数据采集系统。
■ 捕捉时间TAC：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。