《测控电路及应用》第6章 信号转换电路

6.4 电压频率转换电路
6.4.2 f/V转换电路
无信号输入： U1＝0， U2＝0
保持Q=0，S1接地， V2导通
集成f/V转换器
ui前沿负脉冲： U1＝1， U2＝0
置位Q=1，S1接通， CL充电，V2截 止， Ct充电, u5=uCt≥U-=2U /3, U2＝1 ,
u6>U7, U1=0, Q=0
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。
➢ 比较器的输出反映量输入量之间相对大小的关系。 ➢ 作电压比较器的运放工作在非线性状态，在这种情
况下，运放输入端“虚短”的结论不再适用，但是 “虚断”的结论仍然可用。
Ui<UR时， UO = 1 (逻辑高电平） Ui>UR时， UO = 0 (逻辑低电平）
6.3 电压比较电路
6.3.1 电平比较电路
+
+ N3
+E
VD1 ui
VD2 -E
R1 -E
∞ -
+ + N1
C1
VD3
uN
u1
R5 uP
R4=100R3 R3
+E R C
R2
∞
-
VD4
R9
+
+ N2
R7 V2
R6
R89
+E
R11 u2
V1 Um
R10
R12
C2 VS
∞ -
+
+ N3
u
i
U
u
0V
2
Tw
m
0V U
u
1
u
0V
N
H
0V
U
u
2
U
m
u
加入钳位电路可以输出所要求的逻辑电平 双向稳压管钳位
加入钳位电路可以输出所要求的逻辑电平 二极管钳位
6.3 电压比较电路
6.3.1 电平比较电路
对于缓慢变化的输入信号，
un
当其接近于阈值电压时，
叠加在其上的干扰信号会
使比较器产生翻转，这就 UR
是电平比较器的“振铃”
ui
现象。（信号频率变化太
6.4 电压频率转换电路
6.4.1 通用运放V/f 转换电路
(一）积分复原型
6.4 电压频率转换电路
6.4.1 通用运放V/f 转换电路
(一）积分复原型
复原开关
V
R3
R1 ui
积分器
R2
C
∞ -
+ + N1
uC
R4
∞
-
uP
+ + N2
R9
R8 uo
R5
R6
VS2
R7
VS3
-E
-U
VS1
滞回比较器
输入/输出
+E
7 6 54 3 2 10
16
4 2 5 1 12 15 14 13
S1
A 11
逻
B
10 辑 电
平
C
9
转 换
8 选
1 译 码
电
电
INH 6 路
路
S2 S3 S4 S5 3 输出/输入 S6 S7 S8
8
7
-E11
-E2
6.2 采样保持电路
数字信号具有抗干扰能力强，便于传输、长期存 储、分辨率高、能进行复杂的运算等优点。
UR
t1
Is i
1t 0
f 1 1 i ui t0 t1 Ist0 Ist0 R
集成V/F转换器
+U 8
精密 电流源
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
R
输入 -
7
比较
器+
6
偏流
S Q
RS 触发器
QR
基准 电源
定时 比较
U
UR2
UR1
ui
6.4 电压频率转换电路
6.4.1 V/f 转换电路
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)。
在调频（电压调频），锁相和A/D变换等许多 技术领域得到非常广泛的应用。
U1
UR
R1 R1 R2
UoL
R2 R1 R2
U2
UR
R1 R1 R2
UoH
R2 R1 R2
不同方向变化不同阈值
单门限比较
滞回比较
uI
UTu+I
UT uOO
t
抗 干
UTO
t
UOH
扰
uO
UOLO
t
UOH
UOLO
t
在单限比较器中，输入电压在阈值附近的任何微小变化都 会引起输出电压的跃变，不管这种电压是来自输入信 号还是外部干扰，因此虽然单限比较器很灵敏，但抗 干扰能力差，滞回比较器具有滞回的特点，即具有惯 性，所以具有一定的抗干扰能力。
UR+UOS, 这实际降低了比较器灵敏度。
2.当UR=0时，便是鉴零器或称过零器，此 时UOS就是比较器的分辨力。
6.3 电压比较电路
6.3.1 电平比较电路
（二）求和比较电路 （阈值可变）
R2 R1 R2
Ui
R1
R1 R2
U
0
UR
R1 R2
U
ui
R1
Σ- ∞
U R2
+
Uo
+
R
这种比较器的比较点电压不仅与U有关，而且与电阻 R1和R2的比值有关，这给比较点电压的选择带来方便
快，可能比较器来不及转） Uo
6.3 电压比较电路
6.3.2 滞回比较电路---施密特电路
Uo
R ui
-1
#
R2
UR
+1
Uo
O
U1 U2 ui
R1
a) 电路原理图
b) 传输特性
电路工作原理：设比较器输出UOH，当输入信号不断增加至U2时, 比较器输出由高电平UOH转为低电压UOL；设比较器输出UOL,当输 入信号不断减小至U1时,比较器输出由高电平UOL转为低电压UOH.
Rt
R2
R
U-
- 定时
Ct u5
5
比较器 +
U2
2R
3
S1
2
V1
RS
Is
Q
S RS R触发器
S1
Q
1
RL
V2
4
uo CL
6.5 电压电流转换电路
原因： 标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。
电压：1～5V， 电流：4～20mA 在标准信号和非标准信号之间，不同标准信号之间要进行相 互转换。 例子：
ui越高uC越快达到uP电平，比较器翻转越快
6.4 电压频率转换电路
uC O U1
t
U2
6.4.1通用运放V/f 转换电路 uP
O U1
t
(一）积分复原型
U2 T1 T2
uo
O
t
复原开关
V
R3
R1 ui
积分器
R2
C ∞
+
+ N1
-E
uC
∞ -
R4 uP
+ + N2
R5
R6
R7
-U
VS1
滞回比较器
R9 R8
t
0 uidt U1
2、放电过程
T1
R1C (U1 U 2 ) ui
I U1 U2 2(R3 rce)
T2
U2
U1 I
C
2(R3
rce)C
U1 U1
U2 U2
uC
O U1
t
U2
uP
uO T
U1
t
U2
uo
T1 T2
O t
3、充放电周期
T
T1
T2
(U1
U
2
)C
R1 ui
2(R3 rce) U1 U2
器+
5
输出 保护
复位 2R
比较 输入
域值 Rt
定 时
Ct
4
集成V/F转换器
2/3U
+U RS 2
1.9V 参考电压
1
u6
6
RL
CL 7
ui
Rt
8 iS # S
-1 输入 # 比较
+1 器
u5
Ct
5 +E
单稳 Q 态定
时器 Q
V3 uo
4
u6 ui
O
uo
to
O
T
b)
约 10mV
Qs
Ist0
1.9 Rs
（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
4、忽略放电时间
fo
1 T
1 R1C (U1
U2 ) ui
6.4 电压频率转换电路 uC
6.4.1通用运放V/f 转换电路
O
t
(二）电荷平衡型
uo
C
O
t0 t1
t
i
ui
R
∞ -
uC
+
+ N1
∞ -
+
+ N2
单稳 定时器
Q1 it1
uo
Q0 Is it0 Q1
S
IS
（1）线性好；（2）易于集成
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
6.4 电压频率转换电路
到U- =2U/3所需时间
集成f/V转换器
U U (1 e-t/T ) t1 Rt Ct ln 3 1.1RtCt
QS
Ist1
1.9
t1 Rs
QR
iLTi
uo RL
Ti
Q s
uo
1.9t1 Ti
RL Rs
2.09 RL Rs
RtCt fi
+U
8
Rd
R1
ui
Cd u6 U7
6 7
- 输入 + 比较器 U1
+U
8
Rd
R1
ui
Cd u6 U7
6 7
- 输入 + 比较器 U1
Rt
R2
R
U-
- 定时
3
S1
2
V1 Q
Is
RS uo
S RS R触发器
S1
Q
1
Ct u5
5
+ 比较器 U2
V2 2R
RL
CL
4
6.4 电压频率转换电路 每输入一个脉冲，is对CL充电一次
充电时间等于Ct电压uCt从零上升
6.4.1 f/V转换电路
uo
us
a) O
t
Uˊs b)
O uo
c) O
τ
t
t
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。
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。
6.3 电压比较电路
6.3.2 滞回比较电路
R ui
R2 UR
-1
#
Uo
+1
VS2
R1
VS3
可以通过钳位以获得所需电平开关信号
6.3 电压比较电路
6.3.3 窗口比较电路
Uo
R1 VS UR1
E
UZ
RP
UR2
R2
-1
#
+1 N1 Uo1
-1
#
+1 N2 Uo2
“1”
&
Uo
O
“0”
ui 单方向多个阈值
VS2 VS3
U1
U
R7 R6 R7
UZ
R6 R6 R7
U2
U
R7 R6 R7
UZ
R6 R6 R7
T1
R1CU1
ui
U2
uo
T2 T1
f0
1 T
1 R1C (U 1
U2 ) ui
uC
O U1
t
U2
uP
uO T
U1
t
U2
uo
T1 T2
O t
1、积分器充电过程的输出电压
uc
(t
)
1 R1C
6. 信号转换电路
可以根据信号处理、使用、控制的要求转 换成所需形式：电压、电流；幅值、频率； 连续信号的离散化；模拟、数字、开关信 号等形式。
6. 信号转换电路
电压比较电路：模拟-开关信号的转换 电压电流转换电路 电压频率转换电路 采样保持电路 模拟数字转换电路
6.1 模拟开关
6.1.1 模拟开关及其主要参数 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。
t0
t
QR
iLT
ui RL
T
t
uct
U
1
exp(
t0 Rt Ct
)
2U 3
t0 1.1RtCt
f0
1 T
Rsui 1.9 1.1RtCt RL
6.4 电压频率转换电路
6.4.2 f/V转换电路
许多频率解调电 路都属于f/V 转 换电路
放大与电
单稳态
低通Biblioteka Baidu
us
平鉴别器
Us
触发器 Uˊs 滤波器
1、远程传输中的电压--电流转换 2、电流数字测量中的电流--电压转换
转换要求： 1、I/V
低输入阻抗， 低输出阻抗
2、V/I
高输入阻抗， 高输出阻抗
6.5 电压电流转换电路
6.5.1 电流/电压转换电路
（一）反相输入型
i R1
开关元件
控制电路
6.1 模拟开关
6.1.1 模拟开关及其主要参数
模拟开关的分类 机械触点式：干簧继电器，水银继电器
及机械振子继电器等。 动作时间长、体积大、耗蚀 电子式开关：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。 应用广泛。
模拟多路开关电路
巡回采样：8路输入、1路输出 1路输入、8路输出
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)
（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。
6.4.2 f/V转换电路 通用运放f/V转换电路
+E
VD1 ui
VD2 -E
R1 -E
∞ -
+ + N1
C1
VD3
uN
u1
R5 uP
R4=100R3 R3
+E R C
R2
∞
-
VD4
R9
+
+ N2
R7 V2
R6
R89
+E
R11 u2
V1 Um
R10
R12
C2 VS
滞回比较器 微分电路
单稳态电路
∞ -
0V
P
UL
E
HR RR6
6
u
i
U
u
0V
2
Tw
m
0V U
u
1
u
0V
N
H
0V
U
u
2
U
m
u
0V
P
UL
E
HR RR6
6
u
UH
p (t)
R1
R1 R2
U
m
up () [u
R1
p (0
R2 R2
)u
(E)
t
p ()]e
uo TwU m fi
up
(0
)
E
R
R6 R6
,up
()
E
u p (Tw ) U H