第6章 信号转换电路-《测控电路(第4版)》张国雄

1、测量与控制电路 测控电路 测控电路教材编写组 2021-7-1 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 6. 信号转换电路 模拟数字转换电路 测量与控制电路 32021-7-1 6.1 电压比较电路 6.1.1 电平比较电路 （一）差动比较电路 -1-1 +1+1 # # ui Uo UR uiUR a）电压比较器符号）电压比较器符号 b）电压比较器特性）电压比较器特性 电压比较器是一种电压-开关信号转换器。 一种将电压信号离散化电路 测量与控制电路 42021-7-1 6.1 电压比较电路 6.1.1 电平比较电路 （二）求和比较电路 （阈值可变

2、） 优点：阈值可变 缺点：振铃现象 1 2 R R UU R - + + ui Uo U R1 R2 R UR ui un 电平比较器的“振铃”现象 Uo 测量与控制电路 52021-7-1 6.1 电压比较电路 6.1.2 滞回比较电路 不同方向变化不同阈值不同方向变化不同阈值 a) 电路原理图电路原理图 b) 传输特性传输特性 ui Uo U1O U2 -1-1 +1+1 # # ui Uo UR R R2 R1 21 2 oL 21 1 R1 RR R U RR R UU 21 2 oH 21 1 R2 RR R U RR R UU 6.1 电压比较电路 6.1.2 滞回比较电路 -1

3、+1 # ui Uo UR R R2 R1 VS2 VS3 电压比较器是一种带正反馈的运算放大器，以提高转 换速率，消除振铃现象，可以通过钳位以获得所需电 平开关信号 测量与控制电路 72021-7-1 6.1 电压比较电路 6.1.3 窗口比较电路 单方向多个阈值 ui “1” “0” O U UR2UR1 Uo -1-1 +1+1 # # & & -1-1 +1+1 # # ui VS R1 RP R2 Uo1 Uo2 Uo UZ N2 N1 UR2 UR1 E 6.2.1 电流/电压转换电路 6.2 电压电流转换电路 R1 - - + + + + N uo R2 Rs is i （一）反

4、相输入型 s ii 1s1o RiiRu 要求电流源is的内阻Rs必须很大， is需远大于运算放大器偏置电流 6.2 电压电流转换电路 6.2.1 电流/电压转换电路 （二）同相输入型 R2 - - + + + + N uo R1 R3 R4 i ui 3 2 1o 1 R R iRu 6.2 电压电流转换电路 6.2.2 电压/电流转换电路 io Lo 31 1 N2 Ri RR R u i 31 3 N1 u RR R u )( 7Lo 42 2 P1 RRi RR R u b 42 2 P2 U RR R u bi 72 4 o Uu RR R i R4R7+RL R4 - - + +

5、+ + N V2 R5 R1 R3 V1 R2 R6 R7 uN uP ui Ub +E R1=R2，R3=R4 RL n要求： （1）输出电流只与输入电压有关，与负载基本无关； （2）能够输出所需较大电流。 6.2 电压电流转换电路 6.2.2 电压/电流转换电路 RL ui io 输出电流不仅与输入电压 有关，而且与负载有关 不能输出所需较大电路 io RL ui R RRL 测量与控制电路 122021-7-1 6.3 电压频率转换电路 6.3.1 V/f 转换电路 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

6、称为电压控制(压控)振荡器(VCO)。 应用：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。 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 6.3 电压频率转换电路 6.3.1 V/f 转换电路 (一）积分复原型 ui越高uC越快达到uP电平，比较器翻转越快 V - - + + + + N2 - -E R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 uC uP VS1 VS2 VS3 uo - -U 比较器比较器 复原开关复原开关 - - + + + + N1 R2 ui R1 C 积分器积分器 测量与控制电路 142021-7-1

7、6.3 电压频率转换电路 (一）积分复原型 6.3.1 V/f 转换电路 O U1 U2 uo T1T2 t uC U2 U1 t t O O uP 76 1Z 6767 RR UUU RRRR 76 2Z 6767 RR UUU RRRR i u UUCR T 211 1 21 TT i 211 0 )( 11 u UUCRT f V - + + N2 -E R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 uC uP VS1 VS2 VS3 uo -U 比较器比较器 复原开关复原开关 - + + N1 R2 ui R1 C 积分器积分器 测量与控制电路 152021-7-1 (二）电荷平衡型 6.

8、3 电压频率转换电路 6.3.1 V/f 转换电路 uo 11 itQ 0s01 QIi tQ 0 s 1 1 t i I t RtI u i tItt f 0s i 0s10 11 uo t1 t uC t O O t0 - - + + + + N1 - - + + + + N2 S ui R IS 单稳单稳 定时器定时器 uC i UR C （1）线性好；（）线性好；（2）易于集成）易于集成 n许多频率解调电路都属于f/V 转换电路 6.3 电压频率转换电路 6.3.2 f/V转换电路 uo 单稳态单稳态 触发器触发器 低通低通 滤波器滤波器ui Us 测量与控制电路 172021-7-1

9、 6.3.1 f/V转换电路 集成f/V转换器 6.3 电压频率转换电路 无信号输入： U10， U20 保持Q=0，S1接地， V2导通 uo RS 触发器触发器 - - + + 输入输入 比较器比较器 ui Rt Ct RL Is CL RS 4 5 6 7 8 1 2 3 S R +U - - + + 定时定时 比较器比较器 Rd Cd R1 R2 R 2R V2 u6 U1 U2 u5 U- - U7 S1 S1 V1 Q Q ui前沿负脉冲： U11， U20 置位Q=1，S1接通， CL充电，V2 截止， Ct充电, u5=uCtU-=2U /3, U21 , u6U7, U1=0

10、, Q=0 6.3 电压频率转换电路 6.3.1 f/V转换电路 集成f/V转换器 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 到U- =2U/3所需时间 tttt1 1 . 13lnCRCRt 1 Ss 1 s 1.9 t QI t R s o RLii L u Qi TTQ R 1LL otti iss 1.9 2.09 t RR uRC f TRR RS 触发器触发器 - - + + 输入输入 比较器比较器 ui Rt Ct RL Is CL RS 4 5 6 7 8 1 2 3 S R +U - - + + 定时定时 比较器比较器 Rd Cd R1 R2 R

11、 2R V2 u6 U1 U2 u5 U- - U7 S1 uo S1 V1 Q Q - / (1 e) t T UU 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。为了将模 拟信号转换成数字，首先要进行采样。这种电路用于 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。 采样保持电路是一种时间上离散化电路。 6.4 采样保持电路 6.4 采样保持电路 6.4.1 6.

12、4.1 基本原理基本原理 n采样保持电路 的基本组成： （1）模拟开关 （2）模拟信号存 储电容 （3）缓冲放大器 uo a）S/H电路原理电路原理 b）模拟信号采样）模拟信号采样 t Ts - - + + + + N1 - - + + + + ui S UC C t uo f(t) O O ui, uo UC 6.4 采样保持电路 n对采样保持电路的对采样保持电路的 主要要求：主要要求： 精度和速度，充精度和速度，充 电快、放电慢电快、放电慢 n为提高实际电路的为提高实际电路的 精度和速度，需同精度和速度，需同 时从时从元件元件和和电路电路两两 方面着手解决。方面着手解决。 6.4.1 6.

13、4.1 基本原理基本原理 - - + + + + N1 - - + + + + ui uo S UC C 带宽，上升速带宽，上升速 率、最大输出率、最大输出 电流和漂移电流和漂移 输入阻抗、输入阻抗、上升上升 速率、速率、漂移漂移 导通电阻、导通电阻、截止截止 电阻、电阻、延迟时间延迟时间 漏电流漏电流 6.4 采样保持电路 6.4.1 6.4.1 基本原理基本原理 n采样保持电路的主要性能指标：采样保持电路的主要性能指标： 捕捉时间捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，到输出值达：从发出采样指令的时刻起，到输出值达 到规定的误差范围以内所需的时间。跟踪性能的到规定的误差范围以内所需的时间。跟踪性

14、能的 标志。标志。 孔径时间孔径时间：指从发出保持指令的时刻起，到开关真：指从发出保持指令的时刻起，到开关真 正断开所需的时间。正断开所需的时间。 切断能力的标志。切断能力的标志。 下垂率下垂率：指由于存贮电容的电荷的泄漏所引起的输：指由于存贮电容的电荷的泄漏所引起的输 出电压的变化率。出电压的变化率。 n为提高实际电路的精度和速度，需同时从为提高实际电路的精度和速度，需同时从元件元件和和 电路电路两方面着手解决。两方面着手解决。 6.4 采样保持电路 6.4.2 6.4.2 模拟开关模拟开关 n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

15、制（驱动）电路两部分组成。 控制电路 开关元件 6.4 采样保持电路 模拟开关的分类 n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 n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 6.4.2 6.4.2 模拟开关模拟开关 6.4.2 6.4.2 模拟开关模拟开关 6.4 采样保持电路 模拟开关的性能参数 n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。 n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

16、 , 理想模拟 开关时Ton0，Toff0 数字开关主要要求动态特性 6.4 采样保持电路 6.4.2 6.4.2 模拟开关模拟开关 S B D G uiuo uc Ron uiO 优点：优点：Roff1013 （一）N沟道增强型MOSFET开关电路 不足：不足：Ron随随ui增大而增大增大而增大 （二）CMOS开关电路 6.4 采样保持电路 6.4.2 6.4.2 模拟开关模拟开关 b）Ron- ui特性 Ron Ron(C) Ron(N)Ron(P) uiO uGP uiuo uGN +E -E a）CMOS开关 将将P沟道与沟道与N沟道沟道MOSFET并联并联 （三）模拟多路开关电路 6

17、.4 采样保持电路 6.4.2 6.4.2 模拟开关模拟开关 输出/输入 A B C +E 012 34 567 输入/输出 -E11-E2 逻辑电平转换电路 8 选 1 译 码 电 路 131415121524 16 11 10 9 6 87 3 INH S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 巡回采样：8路输入、1路输出 1路输入、8路输出 选用泄漏电阻大和介质吸附效应小的电容器， 如聚苯乙烯，钽电容和聚碳酸脂电容器等。 电容器采用一定的绝缘介质，介质有一定泄漏 电阻 6.4 采样保持电路 6.4.3 存储电容存储电容 C n电容器的吸附效应 电容器极板间的介质极化不可能瞬时实现，

18、 电容器介质的偶极子及其界面极化的形成和 消失，都需要一定的时间，从而使得电容器 在充放电过程结束时，电容电压会有程度不 等的下降或上升，在经过一定的时间后趋于 平衡。 6.4 采样保持电路 6.4.3 存储电容存储电容 C + 6.4 采样保持电路 6.4.3 存储电容存储电容 n充电过程中的电容器吸附效应 01 0 C UC UC C0 R0 R1 C1 i1i2 i3 C0 R0 R1 C1 i1i2 i3 C0 R0 R1 C1 S i1i2 i3 a) 充电开始充电开始S闭合闭合 b) 充电结束充电结束S断开后断开后 c) 充电结束达到平衡充电结束达到平衡 SS 快快 慢慢 向向C1

19、放电放电泄漏泄漏 介质内部介质内部 6.4 采样保持电路 6.4.3 存储电容存储电容 n放电过程中的电容器的吸附效应 C0 R0 R1 C1 i1i2 i3 a) 放电开始放电开始S闭合闭合 RL b) 放电结束放电结束S断开后断开后 C0 R0 R1 C1 i1i2 i3 RL S S c) 放电结束达到平衡放电结束达到平衡 C0 R0 R1 C1 i1i2 i3 RL S 快快 慢慢 向向C0放电放电 泄漏泄漏 01 0 C UC UC n电容值选择电容值选择 电容小：充电快、放电也快，不利于保持电容小：充电快、放电也快，不利于保持 电容大：充电慢、放电也慢，不利于跟踪电容大：充电慢、放

20、电也慢，不利于跟踪 根据信号频谱选择根据信号频谱选择 6.4 采样保持电路 6.4.3 存储电容存储电容 6.4 采样保持电路 6.4.5 应用电路举例应用电路举例 & 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 / /# 模拟量输入模拟量输入 状态状态 AD571 偏移调节偏移调节 C +5V AD582 uo ui - - + + + + N1 - - + + + + N2 Uc S DG # # 6.4 采样保持电路 6.4.5 应用电路举例应用电路举例 & 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 / /# 模拟量输入模拟量输入 状态状态 A

21、D571 偏移调节偏移调节 C +5V AD582 uo ui - - + + + + N1 - - + + + + N2 Uc S DG # # 6.5 模拟数字转换电路 传感器输出的信号多为模拟信号，在以微型计 算机为核心组成的数据采集及控制系统中，必须将 传感器输出的模拟信号转换成数字信号，为此要使 用模/数转换器（简称A/D转换器或ADC）。相反， 经计算机处理后的信号常需反馈给模拟执行机构等， 需要数/模转换器（简称D/A转换器或DAC）将数字 量转换成相应的模拟信号。 6.5.1 量值的数码表示 （一）二进制码 n在数字技术中，量值常用数码表示。由于二进 制器件容易制作、工作可靠，

22、量值常用二进制 数码表示。 6.5 模拟数字转换电路 )222( 2 2 1 1RinRo n n dddUDUU nn n i i U UUUU 22 1 12 R RR 1 RF UR 基准量值；基准量值； 2-i 相应数码位的加权值。相应数码位的加权值。 12 o1in112 (222 ) n n UU DU ddd 6.5 模拟数字转换电路 6.5.1 量值的数码表示 U1 LSB（最低有效位）量值；（最低有效位）量值； 2i 相应数码位的加权值。相应数码位的加权值。 （一）二进制码 6.5.1 量值的数码表示 n主要技术指标 （1）分辨率 发生单位数码变化时，所对应模拟量的相对 于基

23、准量的变化。 （2） 量化：将幅度连续取值的模拟信号变为只能取有限 个某一最小当量LSB的整数倍数值的过程称为量化。 （3）量化误差 通过量化将连续量转换成离散量所产生 的误差称为叫做量化误差，在采用四舍五入时最大误差 可达到1LSB的 1/2，不采用时它等于1LSB 。 6.5 模拟数字转换电路 6.5 模拟数字转换电路 6.5.1 6.5.1 量值的数码表示量值的数码表示 a) 采样采样b) 量化量化 f(t) t F8F6 F5F4F3 F2 F1 0 1 2 3 4 5 6 7 F7 f 1(t) t 0 1 2 3 4 5 6 7 011 101 111 111 110 100 01

24、1 101 对应编码对应编码 1 F 2 F 3 F 4 F 5 F 6 F 7 F 8 F n主要技术指标 （4）建立时间 输入数字量变化后，输出模拟量稳定 到相应数值范围所需的时间，是描述D/A转换速率快 慢的一个重要参数。 （5）转换误差 给定数字代码时测得的实际模拟输出 量和对应这个输入代码的理论模拟输出量之差。非 线性误差、增益误差、失调误差等直接影响 。 6.5 模拟数字转换电路 6.5.1 量值的数码表示 6.5 模拟数字转换电路 6.5.2 D/A转换电路 （一）加权电阻网络电路 n i i ii n i i d R U d R U I 1 R 1 1 - R o 2 2 2

25、R1 UR Uo S2 d2 dn Sn 2R 4R 2n-1R S3 d3 S1 d1 R - - + + + + N I1 I2 I3 In Io A 电阻值差别太大 R1 oo1 1 2 2 n i i i U R UI Rd R 不好制作、不好集成 6.5.2 D/A转换电路 （二）（二）T形R-2R电阻网络电路 6.5 模拟数字转换电路 （1）Ai向右看电阻均为R； （2）Ai向右看电流平分 12 R11 oo112nRi 1 2222 n ni i U RR UI RdddUd RR UR R S1S2 S3 RA1 d1d2d3 (MSB) 2 R I 4 R I 2 R I 2

26、R 2R 2R Uo R dn-1dn (LSB) 1 R 2 n I n I 2 R 1 R 2 n I 2R2R 2R Io Sn-1 Sn R1 A2A3An-1 An 101010 1 01 0 - - + + + + N R 4 I 8 R I n I 2 R 6.5.3 A/D转换电路 (一）双积分式A/D转换器 6.5 模拟数字转换电路 # # - - 1 1 +1+1 电子电子 开关开关 计数器计数器控制逻辑控制逻辑 数据输出数据输出 标准时钟标准时钟 R C Ui UR - -UR UC - - + + + + N UC Ui1 Ui2 T1t O 2 T 2 T -UR -

27、UR (1）Ui在T1内定时充电 1iav T 0 i1C 1 d 1 )( 1 TU RC tU RC TU 6.5 6.5 模拟数字转换电路模拟数字转换电路 6.5.3 A/D转换电路转换电路 0 1 )(d 1 )( 2R1C T 0 R1C2C 2 TU RC TUtU RC TUTU iav R 1 2 U U T T iav R 1 2 U U N N ( (一）一）双积分式双积分式A/D转换器转换器 (2(2）根据）根据UC( (T1) )极性选择极性选择UR或或- -UR反向反向充电至零电位充电至零电位 (3(3）根据）根据反向反向充电时间充电时间T2确定确定Ui。 抗干扰性能

28、好，速度慢。抗干扰性能好，速度慢。 6.5 模拟数字转换电路 6.5.3 A/D转换电路 (二）逐次逼近式 A/D转换器 iS UU 比较器比较器 D/A 转换器转换器 逐次逼近逐次逼近 寄寄 存存 器器 逻辑控制逻辑控制 电电 路路 输出缓冲器输出缓冲器 输出允许输出允许 转换结束转换结束 启启 动动 时钟时钟 Ui Us Dn-1 D0 最高位开始逐位置 “1” ，该位置“0” ，该位保留“1” iS UU 6.5 模拟数字转换电路 6.5.3 A/D转换电路 5位位A/D转换，满量程转换，满量程31V, 输入电压输入电压Ui= 14.7V (二）逐次逼近式 A/D转换器 次数次数比较前码比较前码 代表电压代表电压Us 比较结果比较结果比较后码比较后码 11000016V iS UU00000 6.5 模拟数字转换电路 6.5.3 A/D转换