测控电路信号转换电路

1、电压比较电压比较电路：模拟电路：模拟- -开关信号的转换开关信号的转换 电压电流转换电压电流转换电路电路电压频率转换电压频率转换电路电路采样保持采样保持电路电路6. 6. 信号转换电路信号转换电路模拟数字转换模拟数字转换电路电路 测量与控制电路测量与控制电路22021-11-296.1 电压比较电路电压比较电路 6.1.1 电平比较电路电平比较电路 （一）差动比较电路（一）差动比较电路-1+1#uiUoURuiURa）电压比较器符号b）电压比较器特性电压比较器是一种电压电压比较器是一种电压-开关信号转换器。开关信号转换器。一种将电压信号离散化电路一种将电压信号离散化电路 测量与控制电路测量与控

2、制电路32021-11-296.1 电压比较电路电压比较电路 6.1.1 电平比较电路电平比较电路 （二）求和比较电路（二）求和比较电路（阈值可变）（阈值可变） 优点：阈值可变优点：阈值可变 缺点：振铃现象缺点：振铃现象12RRUUR - -+ + +uiUoUR1R2RURuiun电平比较器的电平比较器的“振铃振铃”现象现象Uo 测量与控制电路测量与控制电路42021-11-296.1 电压比较电路电压比较电路 6.1.2 滞回比较电路滞回比较电路不同方向变化不同阈值a) 电路原理图b) 传输特性uiUoU1OU2-1+1#uiUoURRR2R1212oL211R1RRRURRRUU212o

3、H211R2RRRURRRUU6.1 电压比较电路电压比较电路 6.1.2 滞回比较电路滞回比较电路-1-1+1+1# #uiUoURRR2R1VS2VS3电压比较器是一种带正反馈的运算放大器，以提高转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平开关信号 测量与控制电路测量与控制电路62021-11-296.1 电压比较电路电压比较电路 6.1.3 窗口比较电路窗口比较电路 单方向多个阈值单方向多个阈值ui“1”“0”OUUR2UR1Uo-1+1# &-1+1#uiVSR1RPR2

4、Uo1Uo2UoUZN2N1UR2UR1E 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。 6.2 采样保持电路6.2 采样保持电路6.4.1 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 uoa）S

5、/H电路原理b）模拟信号采样tTs-+N1-+uiSUCCtuof(t)OOui, uoUC6.2 采样保持电路n对采样保持电路的主要要求： 精度和速度，充电快、放电慢n为提高实际电路的精度和速度，需同时从元件和电路两方面着手解决。6.4.1 基本原理-+N1-+ui uoSUCC带宽，上升速率、最大输出电流和漂移输入阻抗、上升速率、漂移导通电阻、截止电阻、延迟时间漏电流6.2 采样保持电路6.4.1 基本原理n采样保持电路的主要性能指标：捕捉时间：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。跟踪性能的标志。孔径时间：指从发出保持指令的时刻起，到开关真正断开所需的时间。

6、切断能力的标志。下垂率：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。 n为提高实际电路的精度和速度，需同时从元件和电路两方面着手解决。6.2 采样保持电路6.4.2 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制（驱动）电路两部分组成。控制电路控制电路开关元件开关元件6.2 6.2 采样保持电路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 模拟开关6.4.2 模拟开关6.2

7、6.2 采样保持电路采样保持电路模拟开关的性能参数模拟开关的性能参数n静态特性静态特性：主要指开关导通和断开时输入端与：主要指开关导通和断开时输入端与输出端之间的电阻输出端之间的电阻Ron和和Roff , 此外还有最大开关此外还有最大开关电压、最大开关电流和驱动功耗等。电压、最大开关电流和驱动功耗等。n动态特性动态特性：开关动作延迟时间，包括开关导通：开关动作延迟时间，包括开关导通延迟时间延迟时间Ton和开关截止延迟时间和开关截止延迟时间Toff , 理想模拟理想模拟开关时开关时Ton0，Toff0数字开关主要要求动态特性数字开关主要要求动态特性6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.4.

8、2 模拟开关SBDGuiuoucRonuiO优点：Roff1013 （一）（一）N沟道增强型沟道增强型MOSFET开关电路开关电路 不足：Ron随ui增大而增大 （二）CMOS开关电路 6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.4.2 模拟开关b）Ron- ui特性特性RonRon(C)Ron(N)Ron(P)uiOuGPuiuouGN+E-Ea）CMOS开关开关将P沟道与N沟道MOSFET并联（三）模拟多路开关电路 6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.4.2 模拟开关输出输出/输入输入ABC+E01234567输入输入/输出输出-E11-E2逻辑电平转换电路逻辑电平转换电路8选选1

9、译译码码电电路路13141512152416111096873INH S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8巡回采样：巡回采样：8路输入、路输入、1路输出路输出 1路输入、路输入、8路输出路输出 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6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.4.3 存储电容 Cn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

10、于平衡。 6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.4.3 存储电容 C+6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.4.3 存储电容 n充电过程中的电容器吸附效应010CUCUC C0R0R1C1i1i2i3C0R0R1C1i1i2i3C0R0R1C1Si1i2i3a) 充电开始S闭合b) 充电结束S断开后c) 充电结束达到平衡SS快慢向C1放电泄漏介质内部6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.4.3 存储电容 n放电过程中的电容器的吸附效应C0R0R1C1i1i2i3a) 放电开始S闭合RLb) 放电结束S断开后C0R0R1C1i1i2i3RLSSc) 放电结束达到平衡C0R0R1

11、C1i1i2i3RLS快慢向C0放电泄漏010CUCUCn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6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.4.3 存储电容 6.2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.4.5 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 状态 AD571 偏移调节 C +5VAD582 uo ui - + + N1 - + + N2 Uc S DG # 6.

12、2 6.2 采样保持电路采样保持电路6.4.5 应用电路举例 & 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 /# 模拟量输入 状态 AD571 偏移调节 C +5VAD582 uoui - + + N1 - + + N2Uc S DG # 2021-11-296.4 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路6.3.1 V/f 转换电路转换电路定义：定义：V/f (V/f (电压电压/ /频率频率) )转换器能把输入信号电压转换成相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

13、，故又称为电压控制例，故又称为电压控制( (压控压控) )振荡器振荡器(VCO)(VCO)。应用：应用：在调频（电压调频），锁相和在调频（电压调频），锁相和A/DA/D变换等许多技术领变换等许多技术领域得到非常广泛的应用。域得到非常广泛的应用。指标：指标：额定工作频率和动态范围，灵敏度或变换系数，非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线性误差，灵敏度误差和温度系数等6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路6.4.1 V/f 转换电路转换电路(一）积分复原型一）积分复原型 ui越高越高uC越快达到越快达到uP电平，比较器翻转越快电平，比较器翻转越快V-+N

14、2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比较器复原开关-+N1R2uiR1C积分器2021-11-296.4 电压频率转换电路电压频率转换电路(一）积分复原型一）积分复原型 6.4.1 V/f 转换电路转换电路OU1U2uoT1T2tuCU2U1ttOOuP761Z6767RRUUURRRR 762Z6767RRUUURRRRiuUUCRT211121TTi2110)(11uUUCRTfV- -+ + +N2- -ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo- -U比较器复原开关- -+ + +N1R2uiR1C积分器2021-11-29(二）电荷平

15、衡型二）电荷平衡型6.4 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路6.4.1 V/f 转换电路转换电路uo11itQ 0s01QIi tQ 0s11 tiItRtIuitIttf0si0s1011uot1tuCtOOt0-+N1-+N2SuiRIS单稳定时器uCiURC（1）线性好；（2）易于集成n许多频率解调电路都属于f/V 转换电路6.4 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路6.4.2 f/V转换电路转换电路uo单稳态触发器 低通滤波器uiUs2021-11-296.4.1 f/V转换电路转换电路集成集成f/V转换器转换器6.4 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路无信号输入：无信

16、号输入： U10， U20保持保持Q=0，S1接地接地， V2导通导通uo RS 触发器-+输入比较器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U-+定时比较器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U-U7S1S1V1QQui前沿负脉冲：前沿负脉冲： U11， U20置位置位Q=1，S1接通接通， CL充电，充电，V2截止，截止， Ct充电充电, u5=uCtU-=2U /3, U21 , u6U7, U1=0, Q=06.4 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路6.4.1 f/V转换电路转换电路集成集成f/V转换器转换器每输入一个脉冲，每输入一个脉冲，is对对CL充电一次充充

17、电一次充电时间等于电时间等于Ct电压电压uCt从零上升到从零上升到U- =2U/3所需时间所需时间 tttt11 . 13lnCRCRt1Ss 1s1.9tQI tRsoRLiiLuQi TTQR1LLottiiss1.92.09t RRuRC fTRR RS 触发器-+输入比较器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U-+定时比较器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U-U7S1uoS1V1QQ- /(1 e)t TUU6.5.1 电流/电压转换电路6.5 电压电流转换电路电压电流转换电路R1-+NuoR2Rsisi（一）反相输入型（一）反相输入型sii 1s1oRiiRu

18、要求电流源要求电流源is的内阻的内阻Rs必须很大，必须很大， is需远大于运算放大器偏置电流需远大于运算放大器偏置电流6.5 电压电流转换电路电压电流转换电路6.5.1 电流/电压转换电路（二）同相输入型（二）同相输入型R2-+NuoR1R3R4iui321o1RRiRu6.5 电压电流转换电路电压电流转换电路6.5.2 电压/电流转换电路ioLo311N2RiRRRui313N1uRRRu)(7Lo422P1RRiRRRub422P2URRRubi724oUuRRRiR4R7+RL R4-+NV2R5R1R3V1R2R6R7uNuPuiUb+ER1=R2，R3=R4 RLn要求：（1）输出电

19、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。6.5 电压电流转换电路电压电流转换电路6.5.2 电压/电流转换电路RLuiio输出电流不仅与输入电压输出电流不仅与输入电压有关，而且与负载有关有关，而且与负载有关不能输出所需较大电路不能输出所需较大电路ioRLuiRRRL 6.6 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，为此要使传感器输出的模拟信号转换成数字信号，为此要使用模用模/ /数转换器（简

20、称数转换器（简称A/D转换器或转换器或ADC）。相反，。相反，经计算机处理后的信号常需反馈给模拟执行机构等，经计算机处理后的信号常需反馈给模拟执行机构等，需要数需要数/ /模转换器（简称模转换器（简称D/A转换器或转换器或DAC）将数字）将数字量转换成相应的模拟信号。量转换成相应的模拟信号。6.6.1 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。6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路)222(2211RinRonndddUDUUnnniiUUUUU22112RRR1RFUR 基准量值；2-i 相应数码位的加权

21、值。 12o1in112(222 )nnUU DU ddd6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路6.6.1 量值的数码表示U1 LSB（最低有效位）量值；2i 相应数码位的加权值。 （一）二进制码（一）二进制码6.6.1 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 。 6.6 6.6 模拟

22、数字转换电路模拟数字转换电路6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路6.6.1 6.6.1 量值的数码表示量值的数码表示a) 采样b) 量化 f(t) t F8F6F5F4F3F2F10 1 2 3 45 6 7 F7 f1(t) t 0 12 3 4 5 6 7 011 101 111 111 110 100 011 101 对应编码 1F2F3F4F5F6F7F8Fn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

23、线性误差、增益误差、失调误差等直接影响 。 6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路6.6.1 量值的数码表示6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路6.6.2 D/A转换电路（一）加权电阻网络电路（一）加权电阻网络电路 niiiiniidRUdRUI1R11 -Ro222R1URUoS2d2dnSn2R4R2n-1RS3d3S1d1R-+NI1I2I3InIoA电阻值差别太大电阻值差别太大 R1oo1122niiiU RUI RdR 不好制作、不好集成不好制作、不好集成 6.6.2 D/A转换电路（二）（二）T形R-2R电阻网络电路 6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转

24、换电路（1）Ai向右看向右看电阻均为电阻均为R；（2）Ai向右看电流平分向右看电流平分12R11oo112nRi12222nniiU RRUI RdddUdRR URRS1S2S3RA1d1d2d3(MSB)2RI4RI2RI2R2R2RUoRdn-1dn(LSB)1R2nInI2R1R2nI2R2R2RIoSn-1SnR1A2A3An-1An1010101010-+NR4I8RInI2R6.6.3 A/D转换电路(一）双积分式A/D转换器 6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路#-1+1电子开关计数器控制逻辑数据输出标准时钟RCUiUR-URUC-+NUCUi1Ui2T1tO2T2

25、T-UR-UR(1(1）Ui在在T1内定时充电内定时充电 1iavT0i1C1d1)(1TURCtURCTU6.6 模拟数字转换电路6.6.3 A/D转换电路转换电路01)(d1)(2R1CT0R1C2C2TURCTUtURCTUTUiavR12UUTT iavR12UUNN (一）双积分式A/D转换器 (2）根据UC(T1)极性选择UR或-UR反向充电至零电位 (3）根据反向充电时间T2确定Ui。抗干扰性能好，速度慢。6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路6.6.3 A/D转换电路(二）逐次逼近式 A/D转换器 iSUU比较器D/A转换器 逐次逼近 寄 存 器逻辑控制电 路输出缓冲器输出允许转换结束启动 时钟UiUsDn-1D0最高位开始逐位置最高位开始逐位置“1” ，该位置该位置“0” ，该位保留该位保留“1”iSUU6.6 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路6.6.3 A/D转换电路5位A/D转换，满量程31V, 输入电压Ui= 14.7V( (二）二）逐次逼近式逐次逼近式 A/D转换器转换器 次数比较前码代表电压Us比较结果比较后码11000016ViSUU000006.6 6.6 模拟