第6章_信号转换电路

1、作用：实现各种信号转换，如作用：实现各种信号转换，如S/H、V/f、V/I、A/D。 6.1 模拟开关模拟开关 6.2 采样保持电路采样保持电路 6.3 电压比较电路电压比较电路 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路 6.5 电压电流转换电路电压电流转换电路 6.6 模拟数字转换电路模拟数字转换电路从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：（1）从自然界物理量到电信号的转换）从自然界物理量到电信号的转换 传感器传感器（2）电信号之间的转换）电信号之间的转换 转换电路转换电路（3）从电信号到物理量的转换）从电信号到物理量的转换 静态标定静态标定 主要参数

2、主要参数导通电阻导通电阻Ron：开关闭合时的电阻；：开关闭合时的电阻；截止电阻截止电阻Roff：开关关断时的电阻，主要开关关断时的电阻，主要由漏电引起由漏电引起；延迟时间：控制信号改变时对应产生的输出延迟时间。延迟时间：控制信号改变时对应产生的输出延迟时间。 开关电路类型开关电路类型增强型增强型MOSFFT开关电路：开关电路：N沟道增强型和沟道增强型和CMOS 型；型；集成模拟开关电路：在同一芯片上集成多个集成模拟开关电路：在同一芯片上集成多个CMOS开关；开关；多路模拟开关电路：由地址译码器和多路模拟开关组成。多路模拟开关电路：由地址译码器和多路模拟开关组成。 作用：作用：采集某一瞬间的模拟

3、输入信号，根据需要保持并采集某一瞬间的模拟输入信号，根据需要保持并 输出此电压值。输出此电压值。 采样状态：采样状态：电路输出信号稳定地跟踪模拟输入信号。电路输出信号稳定地跟踪模拟输入信号。 保持状态：保持状态：电路输出信号保持采样结束时刻的瞬时值。电路输出信号保持采样结束时刻的瞬时值。 用途：用途：主要用于快速数据采集系统。主要用于快速数据采集系统。 捕捉时间长，电路的跟踪特性差，关断时间长，捕捉时间长，电路的跟踪特性差，关断时间长，电路的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。电路的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。 捕捉时间：捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，直到输出信号稳从发出采

4、样指令的时刻起，直到输出信号稳 定地跟踪上输入信号为止所需的时间。定地跟踪上输入信号为止所需的时间。 关断时间：关断时间：从发出保持指令的时刻起，直到输出信号稳从发出保持指令的时刻起，直到输出信号稳 定下来为止所需的时间。定下来为止所需的时间。基本组成：基本组成： 1. 模拟开关模拟开关 2. 存储电容存储电容 3. 缓冲放大器缓冲放大器 当当Uc=“1”时，时，S接通，接通，ui向向C充电，输出跟踪模拟输入充电，输出跟踪模拟输入信号变化信号变化采样阶段采样阶段(uo=uc=ui)。- -+ +N1+ +- -+ +N2+ +uiuoUcCSuc 当当Uc=“0”时，时，S断开，断开，uo保持

5、保持S断开瞬间的输入信号值断开瞬间的输入信号值保持状态保持状态(uo保持保持uc值值)。采样定理：采样定理：采样频率采样频率fs 2 fmax 采样间隔采样间隔Ts 1/ 2 fmax通常取通常取fs = (710) fmax 对采样保持电路的主要要求：对采样保持电路的主要要求：精度和速度精度和速度 为提高实际电路的精度和速度，可从为提高实际电路的精度和速度，可从元件元件和和电路电路两方两方面着手解决。面着手解决。 a) O t Ts ui ,uo O t uo f(t) fs(t) ui,uouoTsttOOui采样采样保持保持 模拟开关模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电要求模拟开关的

6、导通电阻小，漏电流小，极间电容小和切换速度快。流小，极间电容小和切换速度快。 存储电容存储电容：要选用介质吸附效应小的和泄漏电要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容。阻大的电容。 运算放大器运算放大器：选用输入偏置电流小、带宽宽及选用输入偏置电流小、带宽宽及转换速率（上升速率）大的运算放大器，输入转换速率（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。运放还应具有大的输出电流。 将运放、将运放、NMOS管模拟开关管模拟开关S和与门控制电路和与门控制电路DG集成在一集成在一块芯片上块芯片上(AD582)，其输出，其输出uo送入送入AD571的输入端，而的输入端，而AD571的状态输出

7、端与的状态输出端与AD582的控制端相连。由的控制端相连。由AD571的输出状态的输出状态来控制来控制AD582开关开关S的断和通，使的断和通，使AD582处于保持处于保持/采样状态。采样状态。2f11RKR 比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？ （1）比较器的一个重要指标是它的）比较器的一个重要指标是它的响应时间响应时间，它一般，它一般低于低于10-20ns。响应时间响应时间与放大器的与放大器的上升速率上升速率和和增益增益-带宽积带宽积有关。因此，必须选用这两项指标都高的运算放大器作比有关。因此，必须选用这两项指标都高的运算放大器作比较

8、器，并在应用中减小甚至不用相位补偿电容，以便充分较器，并在应用中减小甚至不用相位补偿电容，以便充分利用通用运算放大器本身的带宽来提高响应速度。利用通用运算放大器本身的带宽来提高响应速度。 （2）当在比较器后面连接数字电路时，专用集成比较）当在比较器后面连接数字电路时，专用集成比较器无需添加任何元器件，就可以直接连接，但对通用运算器无需添加任何元器件，就可以直接连接，但对通用运算放大器而言，必须对输出电压采取嵌位措施，使它的高、放大器而言，必须对输出电压采取嵌位措施，使它的高、低输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。低输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。 作用：鉴别和比较两个模拟输入电压的大小。作

9、用：鉴别和比较两个模拟输入电压的大小。 当当uiUR时，时，Uo为低电平为低电平“0”； 当当ui=UR时，比较器翻转。时，比较器翻转。 Uo=UR-ui 在高低电平变化瞬间，可在高低电平变化瞬间，可 用用“虚短虚短”和和“虚断虚断”进行分析，进行分析， 是模拟电路与数字电路之间联是模拟电路与数字电路之间联 系的桥梁。系的桥梁。-1-1+1+1uiUR#UoUouiuiURoUR UouiuiURoUR 当当uiUR时，时，Uo为低电平为低电平“0”；当当ui=UR时，比较器翻转。时，比较器翻转。 Uo=UR-ui 当当UR=0时为过零比较器，时为过零比较器，又称鉴零器。如正弦波经过鉴又称鉴零

10、器。如正弦波经过鉴零器后变为方波。零器后变为方波。-1-1+1+1uiUR#Uo 优点：优点：门限电平可变门限电平可变 缺点：缺点：振铃现象振铃现象1R2RUUR 当当uiUR时，时，Uo为低电平为低电平“0”；当当ui=UR时，比较器翻转。时，比较器翻转。 由于干扰信号由于干扰信号un的作的作用，当用，当ui+un=UR时就产生时就产生误翻转，即误翻转，即“振铃振铃”现象。现象。- -+ + +uiUoU R1R2R UR ui un M N P Q Uo unURuiUoUouioU1 U2 设输出高低电平分别为设输出高低电平分别为UoH、UoL，则两个门限电平分别为：，则两个门限电平分别

11、为：122RoH1212RRUUURRRR121RoL1212RRUUURRRR滞后电平：滞后电平：221oHoLn12()RUUUUUuRR Uo-1-1+1+1uiUR#R1R2R 调节调节R1或或R2可调节滞后电平，使可调节滞后电平，使 稍大于预计的干稍大于预计的干扰信号扰信号un，可消除，可消除“振铃振铃”现象。现象。uiU2时时Uo=UoL，U1uiU2时不翻转。常作为整形电路。时不翻转。常作为整形电路。U 当当uiUR2时，时，Uo1=“1”，Uo2=“0”，则，则Uo=“1”；当当UR2uiUR1时，时，Uo1=“0”，Uo2=“1”，则，则Uo=“1”。Uo-1-1+1+1ui

12、E#R1R2RP-1-1+1+1#VS&Uo1Uo2UR1UR2N1N2UZ判断判断ui是否在两个电平之间。两个门限电平分别为：是否在两个电平之间。两个门限电平分别为：R2zR1UEUUPR1zR2R21PRUUUURR 窗口宽度：窗口宽度：R1R2zUUUKUUouioUR2 UR1 U “1” “0” 定义：定义： V/ f (电压电压/频率频率)转换器能把转换器能把输入信号电压输入信号电压转换转换 成相应的成相应的频率信号频率信号，即它的输出信号频率与输入信号，即它的输出信号频率与输入信号 电压值成比例，故又称为压控振荡器电压值成比例，故又称为压控振荡器(VCO)。 应用：应用：在调频、

13、调相和在调频、调相和A/D变换等许多技术领域得到变换等许多技术领域得到 非常广泛的应用非常广泛的应用。 指标：指标：额定工作频率和动态范围，灵敏度或变换系数，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。非线性误差，灵敏度误差和温度系数等。N1R1C 反相反相积分器；积分器；N2R5R8 滞回比较器滞回比较器；V 积分复位开关；积分复位开关；Vs1 稳定门限电平稳定门限电平；Vs2Vs3 限制输出电压限制输出电压(限幅限幅)。滞回比较器滞回比较器N2同相输入端的两个同相输入端的两个负门限电平负门限电平分别为：分别为：67p1z67670RRuUUURRRR u

14、o=+UZ时，时，67p2z167670RRuUUUURRRR uo=- -UZ时，时，当当ui=0时，时，uc=0，uo=- -Uz，V截止，则门限电平为：截止，则门限电平为：Up=U2 ucU2时，时，uo=Uz，V导通，导通，C通过通过R3放电，放电，uc增大，同增大，同时时up=U1(突变突变) 放电过程，放电时间为放电过程，放电时间为T2当当ui0时，分两种情况：时，分两种情况：211223ce122()UUUUTCRrCIUU 常数常数 (非线性项非线性项) ucU1时，时，uo=- -Uz，V截止，截止，C通过通过R1充电，充电，uc减小，同减小，同时时up=U2 (突变突变)

15、充电过程，充电时间为充电过程，充电时间为T1121121i()UUR CTTTTu 1121i()R C UUTu (线性项线性项)i0i1121()ufuTR C UU ttooucuot0t1N1RC 反相反相积分器；积分器；N2 过零比较过零比较器；器；Is 恒流源发生恒流源发生器；器；单稳单稳 产生产生窄脉冲。窄脉冲。 当当uo=“0”时，时，S断开，断开，i 向向C充电，充电时间为充电，充电时间为t1，充，充电电荷为：电电荷为：Q1= i t1； 当当uo=“1”时，时，S接通，接通，C放电，放电时间为放电，放电时间为t0，放电荷为：，放电荷为：Q0 = ( Is-i ) t0。根据

16、电荷平衡原理有：根据电荷平衡原理有：1s0()/tIi tiii01s 0s 011+ufiuttI tI t Ris0uIi，设设 当当uiu6时，比较器输出高电平，时，比较器输出高电平，Q=“1”，V2导通，则导通，则Uo=UoL0，同时，同时S闭合闭合(接接1)，CL充电，充电，u6增大，增大，Ct充电，充电，u5增大，充电时间增大，充电时间t0，充电电荷：，充电电荷：Qx=Is t0=1.9t0/Rs，t01.1RtCt； 当当uiu6，且，且u52U/3时，单稳输出时，单稳输出Q=“0”，V2截止，截止，则则Uo=UoHE，同时，同时S断开断开(接地接地)，CL通过通过RL放电，放电

17、，u6减减小，小，Ct通过芯片内放电管通过芯片内放电管V3放电到零，放电时间放电到零，放电时间t1，放电，放电电荷为：电荷为：QR=iLt1 iLT uiT/RL。根据电荷平衡原理有：根据电荷平衡原理有：s0iittL12.09RfuuTR C R组成：滞回比较器、单稳态触发器和低通滤波器。组成：滞回比较器、单稳态触发器和低通滤波器。N1R3R4 滞回比较器，输出方波信号滞回比较器，输出方波信号u1(u1与与ui同频同频)；N2R1R2V1V2 单稳态触发器，使单稳态触发器，使u2占空比随占空比随fi 升高而增大升高而增大；N3R12C2 低通滤波器，对低通滤波器，对u2求平均求平均。 u1为

18、低电平时，为低电平时，uN0，N2翻转输出低电平，翻转输出低电平，V1V2截止，此时截止，此时u2为高电平，即为高电平，即u2=Um，C充电使充电使up增大增大，当当up上升到上升到UH时，使时，使N2再次翻转再次翻转“复位复位”，单稳过程结束。，单稳过程结束。 单稳态触发器是一种脉冲整形电路，多用于脉冲波形的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。对于幅度和宽度都不规则的脉冲信号，整形、延时和定时。对于幅度和宽度都不规则的脉冲信号，只要脉冲的幅度大于单稳的触发电平，则单稳态触发器可将只要脉冲的幅度大于单稳的触发电平，则单稳态触发器可将不规则的脉冲波形变成幅度和宽度都

19、相同的脉冲波形。不规则的脉冲波形变成幅度和宽度都相同的脉冲波形。o2wmiiuuT Uff低通滤波器输出：低通滤波器输出：要求：要求： ， ，RUUURR27120.9 RUUURR2223 u21.9V 当当ui无负脉冲输入时，无负脉冲输入时，u6Uu7，U1=“0”，Q=“1”，此，此时时S接地，接地，V2导通，导通，u5=uct=0，U2=“0”； 当当ui有负脉冲输入时，有负脉冲输入时，u6u7，U1=“0”，Q=“1”，S接地，接地，CL通过通过RL放电，同时放电，同时V2导通，导通，Ct经经V2放电，放电，使使u5=uct=0，U2=“0”。放电时间。放电时间t2，放电电荷，放电电

20、荷QR=iLt2uoTi/RL。根据电荷平衡原理有：根据电荷平衡原理有：Lttoiis2.09R R CuffR 作用：作用：减小传输导线阻抗对信号的影响。减小传输导线阻抗对信号的影响。1. 反相输入型反相输入型uo- -+ +N+ +iS RSR2R1i uiiRoS1 o1S1SuiRi Ri 要求要求: （1）电流源内阻）电流源内阻RS很大，减小输入失调电压影响；很大，减小输入失调电压影响； （2）iSIb运放的输入偏置电流。运放的输入偏置电流。* * 2. 同相输入型同相输入型uiRi1 22oib33(1)RRuuUiRR 要求要求： R4=R2/R3（R2和和R3由由i与与uo的范

21、围确定）的范围确定）uo- -+ +N+ +UbR3R1i R4R2ui 例例： 420mA 010V(作业作业) 取取R1=250，i = 420mA ui=15Vuo=010VRRURR22b33(1) 10 RRURR22b33(1)510RR2332 Ub5V3 R320kR230kRRR423/ /12k ， ， ， ， 例例：420mA 05V uN=uP=iSRoNNff15uuuUuRRRNfffof155(1)RRRui RURRRSuo- -+ +N+ +RR1iS R6R2+15VCuPuNR4R5R3RPRfVSUf200R 118kR 543kR 取取 ， ， ，f7

22、.14kR 调调RP使使Uf=7.53V，则，则uo=312.5426iS- -1.250 05V 要求要求：R3RL R4R7+RL31NioL1313RRuui RRRRR42Pbo7L2424()RRuUiRRRRRR取取R1=R2，R3=R4，uNuP，则，则34oibibi1727()()RRiuUuUuR RR RV1- -+ +N+ +uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLiooi/1000iu 例例：010V 010mA取取 R1=R2=100k， R3=R4=20k， R7=200， Ub=0，则，则oi2(2.5)1250iu 例例：010V 420mA取

23、取 R1=R2=100k，R3=R4=20k， R7=125，Ub=-2.5V，则，则V1- -+ +N+ +uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio 分辨率：分辨率：对应一个数字输出的模拟输入电压有一定的幅对应一个数字输出的模拟输入电压有一定的幅 度范围，若超过这个幅度范围，数字输出就会度范围，若超过这个幅度范围，数字输出就会 发生变化，能分辨的输入模拟电压的最小变化发生变化，能分辨的输入模拟电压的最小变化 量叫做分辨率。通常用一个单位分辨率量叫做分辨率。通常用一个单位分辨率(LSB) 或输出二进制位数来表示。或输出二进制位数来表示。 量化和量化误差：量化和量化误差：将幅

24、度连续取值的模拟信号变为只能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的整数倍数值的过程称取有限个某一最小当量的整数倍数值的过程称 为量化。通过量化将连续量转换成离散量，必为量化。通过量化将连续量转换成离散量，必 然存在类似于四舍五入产生的误差，最大误差然存在类似于四舍五入产生的误差，最大误差 可达到可达到1LSB的的1/2。此误差叫做量化误差。此误差叫做量化误差。 转换精度：转换精度：实际实际ADC在量化值上与理想在量化值上与理想ADC量化值的量化值的 差值，可用绝对误差或相对误差表示。由于差值，可用绝对误差或相对误差表示。由于 实际实际ADC的量化值除了含有量化误差外，还的量化

25、值除了含有量化误差外，还 有非线性误差、使用元件和噪声等产生误差。有非线性误差、使用元件和噪声等产生误差。 转换时间：转换时间：完成一次转换所需要的时间，转换速率是转完成一次转换所需要的时间，转换速率是转 换时间的倒数。转换速率常用采样速率表示，换时间的倒数。转换速率常用采样速率表示， 采样速率是采样时间的倒数。采样速率是采样时间的倒数。* * A/D转换的三个阶段：采样、量化和编码转换的三个阶段：采样、量化和编码 采样：采样：在时间上离散，用模拟信号与脉冲序列相乘实现。在时间上离散，用模拟信号与脉冲序列相乘实现。 量化：量化：在幅值上离散，利用四舍五入规则，用有限个量在幅值上离散，利用四舍五

26、入规则，用有限个量 化值来代替采样值，量化值与采样值之差称为量化值来代替采样值，量化值与采样值之差称为量 化误差，最大量化误差化误差，最大量化误差=LSB/2。R12niiiiUUd 编码：编码：编码与量化同时完成，通常用二进制码表示，即编码与量化同时完成，通常用二进制码表示，即1. 双积分式双积分式A/D转换器转换器 采样阶段采样阶段T1：在在T1时间内，时间内，Ui通过通过R向向C 充电，计数器充电，计数器同时对时钟脉冲开始同时对时钟脉冲开始计数，计数值为计数，计数值为N1。采样阶段结束，计数采样阶段结束，计数器清零，积分器输出：器清零，积分器输出： 1C1iiav 1011()TUTU

27、dtUTRCRC T1=N1TC1双积分式双积分式A/D转换器转换器2C2C1Riav 1R20111()()()0TUTUTUdtUTU TRCRCRC 比较阶段比较阶段T2：在在T2时间内，时间内，UR或或(-UR)使使积分器反相积分积分器反相积分(UR与与Ui极极性相反性相反)，同时计数器重新，同时计数器重新计数，计数值为计数，计数值为N2。比较。比较阶段结束，此积分器输出：阶段结束，此积分器输出： UCUi1Ui2oT1T2T2把把T1=N1TC，T2=N2TC代入上式得：代入上式得：12iaviavRNNUUU 计数器记录的脉冲数计数器记录的脉冲数N2表示被测电压表示被测电压Ui在在

28、T1时间内的时间内的平均值平均值Uiav，实现了，实现了A/D转换。转换。速度慢，抗干扰能力强。速度慢，抗干扰能力强。2. 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 从高位到低位，逐位比较。把比较位置从高位到低位，逐位比较。把比较位置1，其它位置，其它位置0，将数字代码经将数字代码经D/A转换成对应的模拟电压转换成对应的模拟电压US，用，用US与模拟输与模拟输入电压入电压Ui比较，若比较，若USUi该位置该位置0，若，若US fs，取，取 f s1= 256 fs 过采样；过采样； 量化：量化：阶梯信号阶梯信号x1(t)x(t)，逼近误差，逼近误差e(t)=x(t)-x1(t)很小；很小； 编码

29、：编码：x1(t)上升一个上升一个时，时，y1(n)=1；x1(t)下降一个下降一个时，时， y1(n)=0；x1(t) 不变时，不变时， 没有没有y1(n)脉冲。脉冲。 y1(n)=x(t)-de(t)/dt 1位数码数字信号位数码数字信号(量化编码量化编码)。 特点：特点：速度和分辨率都高速度和分辨率都高(24位位)，但价格高。，但价格高。 -调制器调制器数字抽取数字抽取 滤波器滤波器模拟输入模拟输入x(t)y1(n)1位位y(n)N位位1234t3t5t7ttx(t)x1(t)9toy1(n)to000111111 数据抽取滤波器：数据抽取滤波器：滤掉采样频率以上的频率分量，防止滤掉采样频率以上的频