信号采集原理

QR
基准 电源
定时 比较
器+
5
输出 保护
复位 2R
比较 输入
域值 Rt
定 时
Ct
4
电压频率转换电路
• 集成V/F转换器
+U RS 2
1
u6
6
RL
CL 7
ui
Rt
8 iS # S
-1 输入 # 比较
+1 器
u5
Ct
5
u6
+E
ui
单稳 Q 态定
时器 Q
O
uo
V
3
uo
4
O
to T
b)
约 10mV t
t
f/V转换电路
• CMOS开关电路
uGP
+E
ui
-E
uo
uGN a)
Ron Ron(P)
Ron(
b)
集成模拟开关
• CMOS开关电路
u u c
1
Dc G
1
1
ui
V4
+
E
V5
-- E
图 6-6
V3
V4
V2
V3
+
E
uo
1
V1
D G1D2 2
含 辅 助 电路 的 CMOS 开 关电路
多路模拟开关
什么是电容的吸附效应？
• 在实际电容器中，电容器介质 的偶极子及其界面极化的形成 和消失都不可能瞬时实现，往 往需要一定的时间，因而使电 介质常数随信号频率和环境温 度变化，不能似为常数
1
• 实际电容器的仿真模型如右图 所示，图中C为理想电容值， R0为电容器的泄漏电阻，其余 的阻容网络为则为介质吸附效 应的仿真。
信号转换电路
第一节 采样保持电路
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量的转换 ② 电量之间的转换 ③ 从电量到物理量的转换
采样保持电路
• 基本性质
u0

ui t
ui
t0

采样期 保持期(t0为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
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
元件性能的影响和要求
• 模拟开关的分类（电压和电流开关）
R2
R2
R1
-
+VR
R1
V0
+VR
-
V0
+
+
元件性能的影响和要求
• 模拟开关的分类
按切换的对象使用的元件：机械触点式和电子式开关 机械触点式：干簧继电器，水银继电器及机械振子继 电器等。 电子式开关：二极管、双极性晶体管、场效应晶体管、 光耦合器件及集成模拟开关等。
b) Ron1
R1
C1
∞ -
+ + N2
C
uo uo
精度提高的方法（电路）
（2）电容校正方法的矛盾
精度 《》 速度
Ron2
C1
∞
∞
-
-
Ron
+
uo
+
+ N2
ui
+ N1
C
b)
提高速度的方法（电路）
减少反馈回路中的时间常数数目来提高速度
Uc
VD1
VD2
V2
V1
∞
-
ui
+
+ N1
R1
R2
V
∞
-
uo
+
什么是电容的吸附效应？
• 实验分析表明，阻容电路的时 间常数相差很大，可从几十毫 秒到几十秒。
• （1）T充电时间《MAX(T阻容电路)
切断充电 （2）T充电时间》MAX(T阻容电路)
1
切断电源将电容器短路，且 T短路时间《（3～5）MAX(T 阻容电路)
.
总结
从元件方面来看，提高精度的重要措施是 减小各种漏电流和偏置电流，选用介质吸 附效应小的电容器，减小开关导通电阻等 的影响。提高工作速度的措施是提高开关 速度，减小开关极间电容的影响，选用上 升速率和输出电流大的运算放大器。
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。
第一节 采样保持电路
采样保持电路的基本性质 组成： 1. 模拟开关 2. 模拟信号存储电容 3. 缓冲放大器
第一节 采样保持电路
开关元件
控制电路
元件性能的影响和要求
• 模拟开关的分类
按切换的对象分：电压和电流开关
电压模拟开关的特点是：当开关断开时，跨于它两端 的电压总与被换接的电压Vx有关，而且通过开关的电 流则与负载RL有关。
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。
电压频率转换电路
• 电荷平衡型 If 0 t
usc1
Em
0
－Em
t
usc2
0
t
usc3
0
t
Ij
I1
0
t
电压频率转换电路
+U
• 集成V/F转换器
8
精密
电流源
R
电流 输出 1
电流 开关
CL
RL
2 1.9V
基准
电压
- 基准
比较
+器
iS uo 3
频率
RS
输出
V 驱动
输入 -
7
比较
器+
6
偏流
S Q
RS 触发器
ui ,uo
O fs(t)
O Ts
a)
uo
f(t)
t
t
第一节 采样保持电路
F(f)
O fmin fmax Fs(f)
E0 O F(f)* Fs(f)
a)
E1 fs b)
f
E2
2fs
f
O fmin fmax fs- fmax fs fs+ fmax
2 fs
f
fs＋fmin
fs－fmin
采样保持电路
输入/输出
+E
76 5 4 32 10
16
4 2 5 1 12 15 14 13
A 11
逻
B
10
辑 电
8 选
平 转
1 译
C
9换 电
码 电
路
路
INH 6
8
7
-E1
-E2
S1
S2
S3
S4
S5
输出/输入
S6
S7
S8
图 6-7 CD4051 原理图
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）
R2
R
U-
- 定时
比较
5
+ 器 U2
2R
S RS Q R 触发器 Q
V
3 2
RS iS
＃S
1
RL 4
iS
暂稳态时， IS对RL,CL 充电
uo
CL
图 6-20 LM131 用作 f/V 转换电路原理图
信号转换电路
模拟数字转换电路
AD转换电路和DA转换电路的基础
理解定义和内容 1 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 Significant Bit)表示。
AD转换电路和DA转换电路的基础
理解定义和内容
（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。
电压比较电路
一 电平比较电路（单 阈值比较器）
（a）差动比较电路
Uo
-1 ui
+1 UR
a)
# Uo
ui<UR
+ N2
C
单片集成采样－保持电路
Uc
+5V 14 13
12
11
AD582
&
DG
∞ -
S
+ + N1
#
uo
10
98
∞ -
+ + N2
模 ? /# 状
拟
态
量
输
入
AD571
1
2
ui
3
4
5
偏移调节
6
7
C
总结
• 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。
+
uo
+ N3
f/V转换电路
ui
Um
0V
u2
（扩展）
Tw
0V
UH
u1
0V
uN
0V
UL
UH
u2
UZ
uP
0V
E R6
R + R6
单稳态触发器的工作特点：
①具有一个稳态和一个暂稳态两种工作状态。 ② 在外加触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳
态。在暂稳态维持一定时间后，再自动返回稳 态。 ③ 暂稳态维持时间的长短取决于电路的参数。
元件性能的影响和要求
• 模拟开关的性能参数
为了得到高质量的采样保持电路，场效应模拟开关 的速度应快，极间电容，夹断电压或开启电压，导通 电阻和反向漏电流等参数都应小。
模拟开关
• 增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型）
i
S BD
ui
uo
i
D BS
ui
uo
G uc
a)
G uc
b)
Ron
O
uiui
o
模拟开关
元件性能的影响和要求
• 模拟开关的性能参数
静态特性：主要指开关导通和断开时输入端与输出 端之间的电阻Ron和Roff,此外还有最大开关电压、最 大开关电流和驱动功耗等。
动态特性：开关动作延迟时间，包括开关导通延 迟时间Ton和开关截止延迟时间Toff, 通常Ton>Toff, 理 想模拟开关时Ton→0，Toff→0
对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。
元件性能的影响和要求
• 输入输出缓冲器
特别需注意的参数：
∞
输入偏置电流以及带 宽，上升速率和最大
∞
-
S
+
-
+
+ N2
uo
输出电流等性能参数。 ui
+ N1
C
Uc
元件性能的影响和要求
• 模拟开关
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。
单稳态触发器的应用
单稳态触发器是一种脉冲整形电路，多用于脉冲波形的 整形、延时和定时。 1. 脉冲整形：对于幅度和宽度都不规则的脉冲信号， 只要这些脉冲的幅度都大于单稳态触发器的触发电平， 则经过单稳态触发器可以将不规则的脉冲波形变成幅度 和宽度都相同的脉冲波形。 2. 用于定时：利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高、 低电平去控制某个电路定时工作。 3. 用于延时
ui>UR
O UR
ui
b)
图 6-12 电压比较器及其特性
电压比较电路
一 电平比较电路 （b）
ui
R1
∞
R2
Σ-
求和比较电路（阈值
U
+
Uo
+
可变）
R
优点：阈VR值 可RR变12 V 缺点：振零现象
a) un
UR
ui Uo
MN
PQ
电压比较电路
二 滞回比较电路（正反馈阈值）
两个阈值：
R ui
R2
利用单稳态触发器暂稳态期间输出的 高电平去控制与门的开
3. 延时：在一个脉冲信号到达后，延迟一段时间再产生 一个脉冲，以控制两个相继进行的操作。
延时 脉冲形成
f/V转换电路
集成f/V转换器
+U Rd
ui Cd
8
R1
6
u6
U7
7
- 输入 比较
+ 器 U1
稳态：Q=0 Rt 暂稳态：Q=1 u5 暂稳态持续时间Ct 由Rt, Ct充电时间 决定。
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，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
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
• 通用f/V 转换电路 包括三个部分：电平比较器，单稳态触发器和彽通滤波器
+E
ui VD1 VD2 -E
R1 -E
∞ -
+ + N1
C1 u1
VD3
uN
R5
uP
R4=100R3 R3
+E R C
R2
+E
∞
-
VD4
+
+ N2
V2 R6
R9 R7 R89
R11 u2
V1 Um
R10
R12
C2 VS
∞
-
精度提高的方法（电路）
（1）模拟开关漏电流 的旁路
-E
R
V
V1
ui
∞
-
+
+N
uo
C
Uc
精度提高的方法（电路）
（2）电容校正方法
Uc
R1
VD1 V1
VD2 V2
C1
ui
∞
∞ -
R2
+
R3 V
-
+
+ N2
uo
ui
+ N1
C
ui
∞ -
+ + N1
Ron2
Ron C
C1
∞ -
+ + N2
∞ -
+ + N1
• 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