测控电路06信号转换电路ppt课件

1、测量与控制电路 测控电路张国雄天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室电子邮件： 测量与控制电路26. 信号转换电路n灵：可以根据信号处理、运用、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。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46.1 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# #uiUoURuiURa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

2、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56.1 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） 优点：阈值可变 缺陷：振铃现象12RRUUR -+uiUoUR1R2RURuiun电平比较器的“振铃景象Uo 测量与控制电路66.1 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uiUoU1OU2-1-1+1+1# #uiUoURRR2R1212oL211R1RRRURRRUU212oH211R2RRRURRRUU6.1 电压比较电路 6.1.2 滞回比较电路-1+1

3、#uiUoURRR2R1VS2VS3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86.1 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 UUR2UR1Uo-1-1+1+1# # & &-1-1+1+1# #uiVSR1RPR2Uo1Uo2UoUZN2N1UR2UR1E6.2.1 电流/电压转换电路6.2 电压电流转换电路R1- -+ + +NuoR2Rsisi（一反相输入型sii 1s1oRiiRu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

4、流转换电路6.2.1 电流/电压转换电路（二同相输入型R2- -+ + +NuoR1R3R4iui321o1RRiRu6.2 电压电流转换电路6.2.2 电压/电流转换电路ioLo311N2RiRRRui313N1uRRRu)(7Lo422P1RRiRRRub422P2URRRubi724oUuRRRiR4R7+RL R4- -+ + +NV2R5R1R3V1R2R6R7uNuPuiUb+ER1=R2，R3=R4 RLn要求：n（1输出电流只与输入电压有关，与负载基本无关；n（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RLuiio输出电流不仅与输入电压有关，

5、而且与负载有关不能输出所需较大电路ioRLuiRRRL 测量与控制电路136.3 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(VCO)。运用：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。目的：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-ER3R4R5R6R7

6、R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U-U比较器比较器复原开关复原开关- -+ + +N1R2uiR1C积分器积分器 测量与控制电路156.3 电压频率转换电路(一积分复原型 6.3.1 V/f 转换电路OU1U2uoT1T2tuCU2U1ttOOuP761Z6767RRUUURRRR 762Z6767RRUUURRRR iuUUCRT211121TTi2110)(11uUUCRTfV-+N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比较器比较器复原开关复原开关-+N1R2uiR1C积分器积分器 测量与控制电路16(二电荷平衡型6.3 电压频率转换电路6.3.1 V

7、/f 转换电路uo11itQ 0s01QIi tQ 0s11 tiItRtIuitIttf0si0s1011uot1tuCtOOt0- -+ + +N1- -+ + +N2SuiRIS单稳单稳定时器定时器uCiURC（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uiUs 测量与控制电路186.3.1 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

8、较器比较器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U- -+ +定时定时比较器比较器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U-U7S1S1V1QQui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=06.3 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 tttt11 . 13lnCRCRt1Ss 1s1.9tQI tRsoRLiiLuQi TTQR1LLottii

9、ss1.92.09t RRuRC fTRR RS 触发器触发器- -+ +输入输入比较器比较器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U- -+ +定时定时比较器比较器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U-U7S1uoS1V1QQ- /(1 e)t TUU 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

10、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 6.4.1 基本原理基本原理n采样保持电路的基本组成：n（1模拟开关n（2模拟信号存储电容n（3缓冲放大器 uoaS/H电路原理电路原理b模拟信号采样模拟信号采样tTs- -+ + +N1- -+ + +uiSUCCtuof(t)OOui, uoUC6.4 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：n 精度和速度，精度和速度，充电快、放电慢充电快、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，需同时从元件和电路两时从

11、元件和电路两方面着手解决。方面着手解决。6.4.1 6.4.1 基本原理基本原理- -+ + +N1- -+ + +ui uoSUCC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、上升输入阻抗、上升速率、漂移速率、漂移导通电阻、截止导通电阻、截止电阻、延迟时间电阻、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：n捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，到输出值捕捉时间：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。跟踪性能达到规定的误差范围以内所需的时间。跟

12、踪性能的标志。的标志。n孔径时间：指从发出保持指令的时刻起，到开关孔径时间：指从发出保持指令的时刻起，到开关真正断开所需的时间。真正断开所需的时间。 切断能力的标志。切断能力的标志。n下垂率：指由于存贮电容的电荷的泄漏所引起的下垂率：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。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。电路两方面着手解决。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n 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

13、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 , 理想模拟开关时Ton0，Toff0数字开关主要要求

14、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SBDGuiuoucRonuiO优点：优点：Roff1013 （一N沟道增强型MOSFET开关电路 缺乏：缺乏：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bRon- ui特性RonRon(C)Ron(N)Ron(P)uiOuGPuiuouGN+E-EaCMOS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 6.4 采样保持电路6.4.2 6.4.2 模拟开关模拟开关输出/输入ABC+E01234567输入/输出-E11-E2逻

15、辑电平转换电路8选1译码电路13141512152416111096873INH 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 Cn电容器的吸附效应n 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

16、.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010CUCUC C0R0R1C1i1i2i3C0R0R1C1i1i2i3C0R0R1C1Si1i2i3a) 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放电放电走漏走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C0R0R1C1i1i2i3a) 放电开始放电开始S闭合闭合RLb) 放电结束放电结束S断开后断开后C0R0R1C1i1i2i3RLSSc) 放电结束达

17、到平衡放电结束达到平衡C0R0R1C1i1i2i3RLS快快慢慢向向C0放电放电走漏走漏010CUCUCn电容值选择电容值选择n电容小：充电快、放电也快，不利于保电容小：充电快、放电也快，不利于保持持n电容大：充电慢、放电也慢，不利于跟电容大：充电慢、放电也慢，不利于跟踪踪n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 形状形状 AD571 偏移调节偏移调节 C +5VAD582 uo ui

18、- - + + + + 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 形状形状 AD571 偏移调节偏移调节 C +5VAD582 uoui - - + + + + N1 - - + + + + N2Uc 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）。

19、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(2211RinRonndddUDUUnnniiUUUUU22112RRR1RFUR 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。 12o1in112(222 )nnUU DU ddd6.5 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

20、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n（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。n（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。n（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 F8F6F5F4F3F2F10 1 2 3 45

21、6 7 F7 f1(t) t 0 12 3 4 5 6 7 011 101 111 111 110 100 011 101 对应编码对应编码 1F2F3F4F5F6F7F8Fn主要技术指标n（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。n（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 。n 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 niiiiniidRUdRUI1R11

22、 -Ro222R1URUoS2d2dnSn2R4R2n-1RS3d3S1d1R- -+ + +NI1I2I3InIoA电阻值差别太大 R1oo1122niiiU RUI RdR 不好制作、不好集成 6.5.2 D/A转换电路（二（二T形形R-2R电阻网络电电阻网络电路路 6.5 模拟数字转换电路（1Ai向右看电阻均为向右看电阻均为R；（2Ai向右看电流平分向右看电流平分12R11oo112nRi12222nniiU RRUI RdddUdRR URRS1S2S3RA1d1d2d3(MSB)2RI4RI2RI2R2R2RUoRdn-1dn(LSB)1R2nInI2R1R2nI2R2R2RIoSn

23、-1SnR1A2A3An-1An1010101010- -+ + +NR4I8RInI2R6.5.3 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RCUiUR-UR-URUC- -+ + +NUCU i1U i2T1tO2T2T-UR-UR(1Ui在T1内定时充电 1iavT0i1C1d1)(1TURCtURCTU6.5 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01)(d1)(2R1CT0R1C2C2TURCTUtURCTUTUiavR12

24、UUTT iavR12UUNN ( (一双积分式一双积分式A/DA/D转换器转换器 (2(2根据根据UC(T1)UC(T1)极性选择极性选择URUR或或-UR-UR反向充电至零电位反向充电至零电位 (3(3根据反向充电时间根据反向充电时间T2T2确定确定UiUi。抗干扰性能好，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 iSUU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UiUsDn-1D0最高位开始逐位置“1” ，该位置“0” ，该位保留“1”iSUU6.5 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11000016ViSUU000006.5 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，