测控电路--信号转换电路

1、测量与控制电路 2021-8-1 测控电路 测量与控制电路 22021-8-1 6. 信号转换电路 灵：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。 信号转换电路用于将各类型的信号进行信号转换电路用于将各类型的信号进行 相互转换，使具有不同输入、输出的器相互转换，使具有不同输入、输出的器 件可以联用。件可以联用。 6. 信号转换电路 在信号进行转换时，需要考虑以下两个问 题： l 转换电路应具有线性特性； l 要求信号转换电路具有一定的输入阻抗和输 出阻抗以与之相联的器件阻抗匹配。 从信息形态变化的观点将各种转换

2、分为三种： l 从自然界物理量到电量的转换 l 电量之间的转换 l 从电量到物理量的转换 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 52021-8-1 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 62021-8-1 6.1 电压比较电路 6.1.1 电平比较电路 （二

3、）求和比较电路 （阈值可变） 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 72021-8-1 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

4、.2 滞回比较电路 -1 +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 92021-8-1 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

5、 Rs is i （一）反相输入型 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+R

6、L R4 - - + + + + N V2 R5 R1 R3 V1 R2 R6 R7 uN uP ui Ub +E R1=R2，R3=R4 RL 6.2 电压电流转换电路 6.2.2 电压/电流转换电路 结论：结论： l当当N的开环增益及输入电阻足够大时，输的开环增益及输入电阻足够大时，输 出电流出电流io与输入电压与输入电压ui的关系只与的关系只与R2、R4及及 反馈电阻反馈电阻R7有关，而与运算放大器参数及有关，而与运算放大器参数及 负载电阻无关，说明它具有恒流性能。负载电阻无关，说明它具有恒流性能。 l输入电流输入电流io与输入电压与输入电压ui的转换系数决定的转换系数决定 于电路参数，

7、因此可以根据于电路参数，因此可以根据io与与ui的范围决的范围决 定电路参数。定电路参数。 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流 io RL ui R RRL 测量与控制电路 152021-8-1 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，故又称为电压控制(压控)振荡器(

8、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 172021-8-1 6.3 电压频率转换电路 (

9、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 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 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

10、U1 t t O O uP i i t iC u UUCR T UUT CR u dtu CR tu )( 1 )( 211 1 211 1 0 1 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 对于放电过程，电流为变化的，其平均值为：对于放电过程，电流为变化的，其平均值为： )(2 3 21 ce rR UU I 21 21 3 12 2 )( 2 UU UU CrRC I UU T ce )(2 )( 21 31 2121 UU rR u R CUUTTT ce i i u UUCRT f )( 11 211 0 输入电压越大，充电电流及锯输入电压越大，充电电流

11、及锯 齿波斜率越大，输出脉冲频率齿波斜率越大，输出脉冲频率 越高。越高。 6.3 电压频率转换电路 6.3.1 V/f 转换电路 上述简单压频变换器的精度和动态范围受到限制的根本上述简单压频变换器的精度和动态范围受到限制的根本 原因在于复位电路具有非线性，虽然可采取适当方法进行原因在于复位电路具有非线性，虽然可采取适当方法进行 补偿，但补偿总是不完全的或者适用范围很狭窄。因此对补偿，但补偿总是不完全的或者适用范围很狭窄。因此对 于这类简单电路，提高精度的主要措施时缩小复位时间。于这类简单电路，提高精度的主要措施时缩小复位时间。 若要使非线性误差从若要使非线性误差从1 1提高一个数量级，达到提高

12、一个数量级，达到0.01%0.01%，则，则 复位时间必须减小到最小信号周期的复位时间必须减小到最小信号周期的0.010.01以下。当额定以下。当额定 工作频率为工作频率为10KHZ10KHZ时，信号的最小周期为时，信号的最小周期为0.1ms,0.1ms,这样，复位这样，复位 时间必须小于时间必须小于0.01US0.01US，简单变换电路通常很难满足这个要，简单变换电路通常很难满足这个要 求。因此，必须改进复位电路，限制它的非线性影响。最求。因此，必须改进复位电路，限制它的非线性影响。最 常用的方法时电荷平衡法，而集成压频变换器几乎都是常用的方法时电荷平衡法，而集成压频变换器几乎都是 按这种方

13、案设计的。利用这种方法，可以得到精度很高，按这种方案设计的。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。动态范围很宽的压频变换器。 测量与控制电路 212021-8-1 (二）电荷平衡型 6.3 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

14、于集成 (二）电荷平衡型 6.3 电压频率转换电路 6.3.1 V/f 转换电路 优点：优点： （1 1）利用电荷平衡法，输出脉冲频率与输入电流有精密的线）利用电荷平衡法，输出脉冲频率与输入电流有精密的线 性关系。这种方案可使非线性误差降到性关系。这种方案可使非线性误差降到0.0050.005以下，这是因以下，这是因 为这种方案与简单压频变换器不同，它在复位电路中采用了两为这种方案与简单压频变换器不同，它在复位电路中采用了两 个精密部件定时电路和恒流源，这就是放电电荷与输入信号个精密部件定时电路和恒流源，这就是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。无关，始终为定值，提高

15、了变换电路的线性度。 （2 2）易于集成化，通常将积分器，比较器，定时电路，恒流）易于集成化，通常将积分器，比较器，定时电路，恒流 源和缓冲极集成在一块硅片上，应用时外加少量元件，就能调源和缓冲极集成在一块硅片上，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，从而提高了这类器件的适应能力。流，从而提高了这类器件的适应能力。 (三三)集成集成V/f转换器转换器 6.3 电压频率转换电路 6.3.1 V/f 转换电路 模拟集成模拟集成V/f转换器具有精度高、线性度高、转换器具有精度高、线性度高、 温度系

16、数低、功耗低及动态范围宽等一系列优温度系数低、功耗低及动态范围宽等一系列优 点，目前已广泛应用于数据采集、自动控制和点，目前已广泛应用于数据采集、自动控制和 数字化及智能化测量仪器中。数字化及智能化测量仪器中。 集成集成V/f转换器大多采用电荷平衡型转换器大多采用电荷平衡型V/f转转 换电路作基本电路，例如典型的换电路作基本电路，例如典型的LM131系列系列 转换器。转换器。 CL 精精 密密 电流源电流源 电电 流流 开开 关关 RS 触发器触发器 基基 准准 电电 源源 - - + + 基准基准 比较比较 器器 - - + + 输入输入 比较比较 器器 - - + + 定时定时 比较比较

17、器器 R Rt Ct iS RS 4 5 6 7 8 1 2 3 偏流偏流 S R Q 复位复位 输出输出 保护保护 驱动驱动 定定 时时 域值域值 比较比较 输入输入 +U 1.9V 电流电流 输出输出 基准基准 电压电压 频率频率 输出输出 Q 2R RL V uo 6.3 电压频率转换电路 6.3.1 V/f 转换电路 (三三)集成集成V/f转换器转换器 电压频率转换电路 n集成V/F转换器 -1 +1 # 单稳 态定 时器 Q iS uo 4 3 5 7 6 1 2 8 RL CL ui RS S Rt Ct +U u6 u5 +E V # Q 器 输入 比较 b) 约10mV O O

18、 T to t t u6 ui uo （1）uiu6时，比较器输出高电平，Q=1，V导通，uo=0；开关S闭合，iS对CL 充电，u6逐渐上升；与引脚5相连的芯片内放电管截止，U经Rt对Ct充电，Ct 上升，直至 。 3/2 5 Uuu Ct （2）当 ，Q=0，V截止，uo=+E；开关S断开，CL通过RL放电， u6下降；Ct通过芯片内放电管迅速放电到零。当 ，开始新周期。 3/2 5 Uuu Ct i uu 6 b) 约10mV O O T to t t u6 ui uo n集成V/F转换器 设输出脉冲周期为设输出脉冲周期为T、输出低电平维持时间为、输出低电平维持时间为t0， 在在t0期间

19、，电流期间，电流Is提供给提供给CL、RL的总电荷量量的总电荷量量 Qs为：为： s ss R t tIQ 0 0 9 . 1 周期周期T内流过内流过RL的总电荷为：的总电荷为： TiQ LR u6在很小的范围内波动，可以取在很小的范围内波动，可以取u6= ui L i L R u i n集成V/F转换器 b) 约10mV O O T to t t u6 ui uo T R u Q i R tttt tt C CRCRt U CR t Uu t 1 . 13ln 3 2 )exp(1 0 0 Ltt is Ltt is RCR uR RCR uR T f 09. 21 . 19 . 1 1 0

20、 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 二、f/V 转换电器 uo Oc) us t t t O O b) a) Us 把频率变化的信号线性地转换成电压变化的信号。把频率变化的信号线性地转换成电压变化的信号。 主要包括电平比较器、主要包括电平比较器、 单稳触发器和低通滤波器单稳触发器和低通滤波器 三部分。三部分。 输入信号通过比较器输入信号通过比较器 转换成快速上升转换成快速上升/下降的下降的 方波信号去触发单稳触发方波信号去触发单稳触发 器，产生定宽、定幅度的器，产生定宽、定幅度的 输出脉冲序列。输出脉冲序列。 将此脉冲序列经低通滤波

21、器平滑，可得到比例于输入信号频将此脉冲序列经低通滤波器平滑，可得到比例于输入信号频 率率fi的输出电压的输出电压uo。 f/V转换电路 n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 R12 R C R3 R4=100R3 u1 -E +E uo C1 R5 uN uP VD3 VD4 R9 R7 R89 V2 R6 R10 V1 VS Um R2 u2 R11 u i +E -E V D1 V D2 R 1 C2 - + + N1 - + + N2 - + + N3 +E Tw 0V 0V u2 uN uP Um UH UL 6 6 RR R E UH 0V 0V

22、 0V ui u1 u2 UZ （扩展） Tw 0V 0V u2 uN uP Um UH UL 6 6 RR R E UH 0V 0V 0V ui u1 u2 UZ （扩展） f/V转换电路 n通用f/V 转换电路 测量与控制电路 312021-8-1 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 R

23、1 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, 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

24、.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 2R V2 u6 U1 U2 u5 U- - U7 S1 uo S1 V1 Q Q - / (1 e) t T UU 单稳态触发器的工作特点： 具有一个稳态和一个暂稳态两种工作状态。具有一个稳态和一个暂稳态两种工作状态。 在外加触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳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

25、。在暂稳态维持一定时间后，再自动返回稳 态。态。 暂稳态维持时间的长短取决于电路的参数。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。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，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，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。度

26、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、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。低电平去控制某个电路定时工作。 3. 用于延时用于延时 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

27、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 6.4.1 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

28、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 6.4.1 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，

29、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

30、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。 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

31、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 , 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 TciTic UuuUuu)(0 TGS Uu0 模拟开关 iD / mA 10 A 0U Tu GS / V U GS UT 0 截止区 iD / mA 可变电阻 区 恒流区 击穿区 U DS UGS U

32、T 轨迹 uDS / V (a) 转移特性(b) 输出特性 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线 （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 两管互补，等效电阻基本恒定，与输入模拟信号无关。经实 测，Ron的波动范围约为 100350 集成模拟开关 集成模拟开关广泛地使用于程控放大器、寻址式采样/保持 电路、程控频率振荡器、数字滤波器等电子

33、技术中。 uc ui + E 图 6- 6 含辅助电路的 CMOS 开关电路 uo -E D2 DG1 1 1 V3 V4 V3 V4 1 1 DG2 uc -E V2 V1 V5 + E （三）模拟多路开关电路 6.4 采样保持电路 6.4.2 6.4.2 模拟开关模拟开关 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

34、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， 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

35、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

36、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 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。 精度提高的方法（电路） （1）模拟开关漏电流的旁

37、路）模拟开关漏电流的旁路 （2 2）存储电容：要选用介质吸附效应）存储电容：要选用介质吸附效应 小的和泄漏电阻大的电容。小的和泄漏电阻大的电容。 （3）运算放大器：选用输入偏置电流小、）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。大器；输入运放还应具有大的输出电流。 精度提高的方法（电路） （1）模拟开关漏电流 的旁路 Uc - + + N R -E V1 ui C uo V 精度提高的方法（电路） （2）电容校正方法 uo ui C V Uc VD1 VD2 V1 - + + N2 - +

38、 + N1 R1 C1 R3 R2 V2 C uo - + + N2 - + + N1 ui C1 Ron2 Ron b) C uo - + + N2 - + + N1 ui R1 C1 Ron1 采用电容补偿的办法，精采用电容补偿的办法，精 度大概可以提高一个数量度大概可以提高一个数量 级。级。 精度提高的方法（电路） （2）电容校正方法的矛盾 精度 速度 C uo - + + N2 - + + N1 ui C1 Ron2 Ron 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 - + + N1 - + + N2 Uc uo C ui V1 R1 R2 V V2 VD1

39、 VD2 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 AD571 偏移调节偏移调节 C +5V AD582 uo ui - - + + + + N1 -

40、 - + + + + 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，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

41、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

42、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 7 011 101 111 111 110 100 011 101 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

43、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 R1 UR Uo S2 d2 dn Sn 2R 4R 2n-1R S3 d3 S1 d1 R -

44、 - + + + + 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 2R 2R 2R Uo R dn-1dn (LSB) 1 R 2 n I n I 2 R 1 R

45、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 -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 )( 2R