第6章信号转换电路

1、第第6章章 信号转换电路信号转换电路 测试电路的灵活性体现之一是它能方便地将各类型的测试电路的灵活性体现之一是它能方便地将各类型的信号进行相互转换。信号转换电路使得各种不同输入输出信号进行相互转换。信号转换电路使得各种不同输入输出器件可以连用。在进行信号转换时需考虑以下两个问题。器件可以连用。在进行信号转换时需考虑以下两个问题。一是信号转换电路应具有所需特性；二是要求信号转换电一是信号转换电路应具有所需特性；二是要求信号转换电路具有一定的输入输出阻抗以与之相连的器件阻抗匹配。路具有一定的输入输出阻抗以与之相连的器件阻抗匹配。6.1 模拟开关模拟开关 模拟开关在电路中用于实现模拟信号通与断的电子

2、开模拟开关在电路中用于实现模拟信号通与断的电子开关器件，它在多路选择、采样保持、开关电容、开关电流关器件，它在多路选择、采样保持、开关电容、开关电流和滤波器等电路中都有大量的应用。和滤波器等电路中都有大量的应用。6.1.1 模拟开关及主要参数模拟开关及主要参数 模拟开关有三个端子：控制端模拟开关有三个端子：控制端C、信号输入端、信号输入端I及信号及信号输出端输出端O。有的。有的I/O可以互换，称为双向开关。可以互换，称为双向开关。 模拟的主要参数：模拟的主要参数：导通电阻：开关闭合时呈现的电阻。导通电阻：开关闭合时呈现的电阻。截止电阻：开关断开时呈现的电阻。截止电阻：开关断开时呈现的电阻。延迟

3、时间：控制信号改变时对应产生的输出延时，包括导延迟时间：控制信号改变时对应产生的输出延时，包括导 通和截止延时。通和截止延时。 常用的开关元件有二极管开关、三极管开关、场效应常用的开关元件有二极管开关、三极管开关、场效应管开关等管开关等 。6.1.2 增强型增强型MOSFET开关电路开关电路 一、一、N沟道增强型沟道增强型MOSFET开关电路开关电路 MOSMOS管管的工作原理建立在半导体表面场效应现象的基础上。的工作原理建立在半导体表面场效应现象的基础上。MOSMOS管管uGS=0时，就存在导电沟道时，就存在导电沟道(iD0)uGS=0时，不存在导电沟道时，不存在导电沟道(iD=0)耗尽型：

4、耗尽型：增强型：增强型： 1)结构：金属(Al)氧化物(SIO2)半导体所谓表面场效应是指半导体表面有电场作用时，表面载流子浓所谓表面场效应是指半导体表面有电场作用时，表面载流子浓度发生变化的现象。度发生变化的现象。(P型Si)三层结构。 1)MOSMOS管管的分类与结构的分类与结构2)工作原理工作原理 两个两个N+区与区与P区三者间形成两个背靠区三者间形成两个背靠uDS 0时，时，uGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响uGS=0(G、S极间短路极间短路)：PN+结处于反偏，故漏极电流结处于反偏，故漏极电流iD 0，管子截止。管子截止。背的背的PN+结，如图所示。结，如图所示。这时不管这时不管

5、uDS的极性如何，总会有一个的极性如何，总会有一个BSGVDDDN+N+P PPN+ +结结PN+ +结结P型衬底型衬底 uDS 0时时uGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响第一种情况，第一种情况，0uGS UGS(th) ， 第二种情况，第二种情况，uGS UGS(th) ， uGS0：uDS=0=0。这里的这里的UGS(thth) ) 为开启电压，为开启电压，栅极和衬底相当于充有绝缘介质的平栅极和衬底相当于充有绝缘介质的平板电容器。板电容器。UGS(th) 0 0，其值约为其值约为2V2V 10V10V。在在P P型硅表面形成一个电子薄层型硅表面形成一个电子薄层D、S间沟道形成。间沟道形成

6、。 uGS越大，越大，沟道愈厚，沟道电阻愈小。沟道愈厚，沟道电阻愈小。 uGSUGS(th)的某一值时，的某一值时，uDS对对iD的的影响影响 uGS为大于为大于UGS(th)的某一值时的某一值时uDS对对iD的的影响影响( (a)a)uDS uGS -uGS(th) ( (b)b)uDS= uGS -uGS(th) ( (c)c)uDS uGS -uGS(th) uDS uGS -uGS(th)， uDS= uGS -uGS(th)， uDS uGS -uGS(th) ，iD 0，沟道不等宽沟道不等宽。沟道预夹断。沟道预夹断。 夹断区延长。夹断区延长。3 3）特性曲线与电流方程特性曲线与电流

7、方程 N沟道增强型沟道增强型MOS管的特性管的特性曲线曲线(a)(a)转移特性转移特性(b)(b)输出特性输出特性在恒流区，在恒流区，2)() 1(thGSGSDODuuIiDthGSGSDOiuuI对应的)(2 1. CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理MOS反相器反相器0UDSIDuiuoUCCR负载线负载线ui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1”二、二、CMOS开关电路开关电路uiuoUDDuiuoUDD实际结构实际结构等效结构等效结构负载管负载管驱动管驱动管CMOS反相器反相器UDDSVT2DVT1AFNMOS管管PMOS管管CMOS电路电路UDDSVT2DVT1AFA=0

8、截止截止导通导通F=“”工作原理：工作原理：UDDSVT2DVT1AFA=导通导通截止截止F=“”工作原理：工作原理：VTN1UDDSDVTP2VTP1VTN2ABFA=0B=0截止截止导通导通F=1CMOS与非门与非门VTN1UDDSDVTP2VTP1VTN2ABFA=0B=1截止截止导通导通F=1VTN1UDDSDVTP2VTP1VTN2ABFA=1B=0截止截止导通导通F=1VTN1UDDSDVTP2VTP1VTN2ABFA=1B=1导通导通F=0截止截止ABF001110011011BAF 2. CMOS反相器的电压、电流传输特性反相器的电压、电流传输特性CMOS反相器的电压传输特性如

9、图所示。该特反相器的电压传输特性如图所示。该特性曲线大致分为性曲线大致分为AB、 BC、 CD三个阶段。三个阶段。CMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性 UIUOUDDABUDD21UTNUTPUDD21UDD0DC AB段：段：UIUTN输入低电平时，输入低电平时，UGS1UTN, |UG S 2|UT P|， 故故V1截止，截止，V2导通，导通，UO=UOHUDD，输出高电平。输出高电平。 CD段：段：UIUDD-|UTP|输入为高电平，输入为高电平，V1导通，而导通，而|UGS2|UTP|，故，故V2截止，所以截止，所以UO=UOL0，输出低电平。输出低电平。 BC段：段：UT

10、NUI(UDD-|UTP|)，此时由此时由于于UGS1UTN，UGS2|UTP|，故，故V1、V2均导均导通。若通。若V1、V2的参数对称，则的参数对称，则UI=1/2UDD时时两管导通内阻相等，两管导通内阻相等，UO=1/2UDD。因此，因此，CMOS反相器的阈值电压为反相器的阈值电压为UT1/2UDD。BC段特性曲线很陡，可见段特性曲线很陡，可见CMOS反相器的反相器的传输特性接近理想开关特性，传输特性接近理想开关特性， 因而其噪声因而其噪声容限大，抗干扰能力强。容限大，抗干扰能力强。 CMOS反相器的电流传输特性如图所示，反相器的电流传输特性如图所示，在在AB段由于段由于V1截止，阻抗很

11、高，所以流过截止，阻抗很高，所以流过V1和和V2的漏电流几乎为的漏电流几乎为0。 在在CD段段V2截止，截止，阻抗很高，所以流过阻抗很高，所以流过V1和和V2的漏电流也几的漏电流也几乎为乎为0。只有在。只有在BC段，段，V1和和V2均导通时才均导通时才有电流有电流iD流过流过V1和和V2，并且在并且在UI=1/2UDD附附近，近，iD最大。最大。 CMOS反相反相器的电流传输特性器的电流传输特性UIiDABUTNUTPUDD21UDD0CD 3. CMOS反相器的应用反相器的应用1） CMOS与非门与非门和和或非门或非门 在在CMOS反相器的基础上可以构成各种反相器的基础上可以构成各种CMOS

12、逻辑门。如逻辑门。如CMOS与非门，它由四个与非门，它由四个MOS管组成。管组成。V1、V2为两只串联的为两只串联的NMOS管，为驱动管，管，为驱动管，V3、V4为两只并联的为两只并联的PMOS管，为负载管。输出管，为负载管。输出F和输和输入入A、B之间是与非关系，即之间是与非关系，即F=AB。还有还有 CMOS或非门电路等。或非门电路等。CMOS与非门与非门（驱动管串联，负载管并联）（驱动管串联，负载管并联） UDDFV4(P)V2(N)V1(N)V3(P)ABCMOS或非门或非门（驱动管并联，负载管串联）（驱动管并联，负载管串联） UDDFV4(P)V2(N)V1(N)V3(P)AB 2)

13、 CMOS门电路的构成规律门电路的构成规律 分析复杂的分析复杂的CMOS门电路时，可以不门电路时，可以不必像前面一样逐个分析电路中各必像前面一样逐个分析电路中各MOS管管的通断情况，而可以按照下面的规律判断的通断情况，而可以按照下面的规律判断电路的功能电路的功能(或构成或构成CMOS门电路门电路)： 驱动管串联，负载管并联；驱动管串联，负载管并联； 驱动驱动管并联，管并联， 负载管串联负载管串联。 3） CMOS传输门传输门 驱动管相串为驱动管相串为“与与”， 相并为相并为“或或”， 先串后先串后并为先并为先“与与”后后“或或”， 先并后串为先先并后串为先“或或”后后“与与”。 驱动管组和负载

14、管组连接点引出输出为驱动管组和负载管组连接点引出输出为“取反取反”。 CMOS传输门的传输门的电路结构和逻辑符号如下图电路结构和逻辑符号如下图(a) 、 (b)所示。所示。 CMOS传输门传输门(a) 电路结构；电路结构； (b) 逻辑符号逻辑符号 CCV2V1UI/UOUO/UIUDD(a)TGUI/UOUO/UICC(b)CMOS传输门中两个传输门中两个MOS管的工作状态管的工作状态 CCUIUOUDDRLUOUICD1S1RLV1UOUIRLV2S2D2C 当在控制端当在控制端C加加0V，在，在C 端加端加UDD时，只要输时，只要输入信号的变化范围不超出入信号的变化范围不超出0UDD，则

15、，则V1和和V2同时截同时截止，输入与输出之间呈高阻态止，输入与输出之间呈高阻态(109)，传输门截传输门截止。止。 反之，若反之，若C=UDD，C=0V，而且在而且在RL远大于远大于V1、V2的导通电阻的情况下，则当的导通电阻的情况下，则当0UIUDD-UTN时时V1将导通，而当将导通，而当|UTP|UIUDD时时V2导通。因此，导通。因此，UI在在0UDD之间变化时，之间变化时，V1和和V2至少有一个是导通至少有一个是导通的，使的，使UI与与UO两端之间呈低阻态两端之间呈低阻态(小于小于1k)，传输传输门导通。门导通。 由于由于V1、V2管的结构形式是对称的，即漏极管的结构形式是对称的，即

16、漏极和源极可互换使用，因而和源极可互换使用，因而CMOS传输门传输门属于双向器属于双向器件，它的输入端和输出端也可以互易使用。件，它的输入端和输出端也可以互易使用。 传输门的一个重要用途是作模拟开关，它可传输门的一个重要用途是作模拟开关，它可以用来传输连续变化的模拟电压信号。以用来传输连续变化的模拟电压信号。 模拟开关模拟开关的基本电路由的基本电路由CMOS传输门和一个传输门和一个CMOS反相器组反相器组成，如图所示。当成，如图所示。当C=1时，开关接通，时，开关接通，C=0时，开时，开关断开，因此只要一个控制电压即可工作。和关断开，因此只要一个控制电压即可工作。和CMOS传输门一样，传输门一

17、样，模拟开关也是双向器件。模拟开关也是双向器件。 CMOS双向模拟开关双向模拟开关(a) 电路结构；电路结构； (b) 逻辑符号逻辑符号 UI/UOUO/UISWUI/UOUO/UIC(b)TG1C(a)4） CMOS逻辑门系列逻辑门系列CMOS逻辑门器件有三大系列：逻辑门器件有三大系列： 4000系列。系列。 74C系列。系列。 硅硅-氧化铝系列。氧化铝系列。其中其中4000B系列部分器件如下表所示。系列部分器件如下表所示。各系列各系列CMOS电路的主要技术参数电路的主要技术参数如下表所示。如下表所示。表表 4000B系列部分器件系列部分器件 编编 号号 说说 明明 CD4001B CD40

18、02B CD4011B CD4012B CD4030B CD4050B CD4066B CD4069B CD4085B 四四2输入或非门输入或非门 二二4输入或非门输入或非门 四四2输入与非门输入与非门 二二4输入与非门输入与非门 四四2输入异或门输入异或门 六缓冲器六缓冲器 六双向模拟开关六双向模拟开关 六反相器六反相器二二2-2与或非门与或非门 表表 各系列各系列CMOS电路的技术参数电路的技术参数逻辑系列逻辑系列 电源电压电源电压/V 功耗功耗/mW每每门门 传输延迟传输延迟/ns每门每门 4000B 74HC/HCT 74AC/ACT 318 26 26 2.5 1.2 0.9 251

19、00 10 5CMOS电路电路的优点：的优点：.静态功耗小。静态功耗小。.允许电源电压范围宽（允许电源电压范围宽（3 18V）。）。3.扇出系数大，抗噪容限大。扇出系数大，抗噪容限大。6.1.3 集成模拟开关集成模拟开关 集成模拟开关种类型号有很多，目前适用于便携应用集成模拟开关种类型号有很多，目前适用于便携应用的新型低功耗模拟开关导通电阻可达的新型低功耗模拟开关导通电阻可达10，泄露电流仅为，泄露电流仅为2nA。 C544、CD4066均为单片集成均为单片集成CMOS四模拟开关电路四模拟开关电路即在同一芯片上集成了四个独立的电路结构完全相同的即在同一芯片上集成了四个独立的电路结构完全相同的C

20、MOS 双相模拟开关单元。双相模拟开关单元。6.1.4 模拟多路开关电路模拟多路开关电路 模拟多路开关又称模拟多路转换器，他由地址译码器和模拟多路开关又称模拟多路转换器，他由地址译码器和多路双向模拟开关组成。根据外部地址输入信号经内部地多路双向模拟开关组成。根据外部地址输入信号经内部地址译码器选通与地址译码相应的模拟开关单元，从址译码器选通与地址译码相应的模拟开关单元，从N路模拟路模拟输入信号中选取某一路传送到输出端，或把一路模拟输入输入信号中选取某一路传送到输出端，或把一路模拟输入信号送到信号送到N个输出端中的某一端输出。个输出端中的某一端输出。6.2 采样保持电路采样保持电路 采样保持采样

21、保持(S/H)电路具有采集某一瞬间的模拟信号并按需电路具有采集某一瞬间的模拟信号并按需要保持且输出采集的电压数值的功能。要保持且输出采集的电压数值的功能。+uiuoCHSA1A2uCuo, uiuoui0(a) 电路图(b) 波形图 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11t采样脉冲（fS）开关驱动电路 t0时刻时刻S闭合，闭合，CH被迅速充电，电路处于被迅速充电，电路处于采样采样阶段。由于阶段。由于两个放大器的增益都为两个放大器的增益都为1，因此这一阶段，因此这一阶段uo跟随跟随ui变化，即变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，时刻采样阶段结束，S断开，电

22、路处于断开，电路处于保持保持阶段。阶段。 采样保持采样保持(S/H)电路的主要参数有扑捉时间、孔径时间、电路的主要参数有扑捉时间、孔径时间、 下垂率等。下垂率等。扑捉时间扑捉时间：从发出采样指令时刻起，直到输出值达到规定的：从发出采样指令时刻起，直到输出值达到规定的误差范围内所需要的时间。扑捉时间长则电路跟踪性能差。误差范围内所需要的时间。扑捉时间长则电路跟踪性能差。孔径时间孔径时间：从发出保持指令时刻起，直到开关真正断开为止：从发出保持指令时刻起，直到开关真正断开为止需要的时间。孔径时间长则电路停止采样响应差。需要的时间。孔径时间长则电路停止采样响应差。下垂率下垂率：由于存储电容电荷的泄露所

23、引起的输出电压的变化：由于存储电容电荷的泄露所引起的输出电压的变化率。率。A/D转换器在对模拟量转换时，需要一定的转换时间，转换器在对模拟量转换时，需要一定的转换时间，在此时间内输入的模拟量是不确定的，会引起输出的不确定在此时间内输入的模拟量是不确定的，会引起输出的不确定误差。正弦波最大相对误差为误差。正弦波最大相对误差为%1002Tf 若使用一个采样时间为若使用一个采样时间为TAC、最大孔径时间为、最大孔径时间为TAP的的采样采样保持器和保持器和一个转换时间为一个转换时间为TCD的的A/D转换器相连，按转换器相连，按采样定采样定理要求，允许输入信号的最高频率为理要求，允许输入信号的最高频率为

24、)(21maxCDAPACTTTf 单片集成单片集成采样保持器有通用型、高速型、高分辨率型及采样保持器有通用型、高速型、高分辨率型及低下降率型等。如通用型低下降率型等。如通用型AD582、ICL7135等。等。 7135是应用广泛的是应用广泛的4位半双积分位半双积分A/D转换器（类似的还转换器（类似的还有有3位半芯片：位半芯片： ）。）。6.3.1 概述概述1.1.概念：概念：输入：模拟量输入：模拟量ui;参考电压：参考电压：（直流）直流）UREF;输出：输出：uo=0( (UoL) )1 1 (UoH)2. 传输特性传输特性)(0iufu ouiuTU3. 阈值电压阈值电压 使使uO从从UO

25、H跃变为跃变为UOL，或者从或者从UOL跃变为跃变为UOH的输入电压称为的输入电压称为电压进行比较，其结果是输出两个不同的电平。高电平和低电平。电压进行比较，其结果是输出两个不同的电平。高电平和低电平。是一种模拟信号处理电路。它是将输入的模拟电压与参考是一种模拟信号处理电路。它是将输入的模拟电压与参考阈值电压，或转折电压，记作阈值电压，或转折电压，记作UT。6.3 电压比较电路电压比较电路 4.4.电压比较器结构特点电压比较器结构特点 AuOuPuN AuOuPuN正反馈通路正反馈通路uOUOM-UOM0uP-uN5 5. .电压比较器的种类电压比较器的种类（1 1）单限比较器）单限比较器uO

26、UOHUOL0uI（2 2）滞回比较器）滞回比较器（3 3）窗口比较器）窗口比较器uOUT1UT20uIuOUOHUOL0uIUT1UT26.3.2 单限比较器单限比较器1.1.过零比较器过零比较器 AuOuI+UOM-UOMuO0uI AuOuID1D2R AuOuIDZUZRUREF=0时，0 uIoMUu0时，0 uIoMUu 0 AuOuIDZR2.2.一般单限比较器一般单限比较器 AuOuIDZUZR1R2RUREFuOuO+UZ-UZ0uIUTREFINURRRuRRRu212211利用叠加原理，利用叠加原理，令令uP= uN=0，求出阈值电压求出阈值电压当当uIUT时，时，REF

27、TURRU12所以所以uO=+UOM ，所以所以uO= -UOM ，)0 U REF(uO=UOH=+UZ ；uO=UOL=-UZ 。uP= 0uNup ，分析电压传输特性三个要素的方法是：分析电压传输特性三个要素的方法是： P P427427 （）通过电压比较器（）通过电压比较器结构结构确定确定UOL和和UOH ；（）（）写出写出up和和uN的的表达式，表达式，令令uN=up ，解得的解得的输入电压输入电压就是阈值就是阈值电压电压UT ；（）（） uO在在uI过过UT时的跃变方向决定于时的跃变方向决定于uI作用于集成运放的哪个作用于集成运放的哪个输入端。输入端。 当当uI从从反相输入端输入（

28、或通过电阻接反相输入端）时，反相输入端输入（或通过电阻接反相输入端）时，uIUT ，uO=UOL ； 当当uI从从同相输入端输入（或通过电阻接同相输入端）时，同相输入端输入（或通过电阻接同相输入端）时，uIUT ，uO=UOH 。 例例1 1 在图（在图（a a）所示的电路中，稳压管的稳定电压所示的电路中，稳压管的稳定电压UZ= =6V6V；在图在图（b b）所示电路中，所示电路中，R1=R2=5k ，基准电压基准电压UREF=2V，稳压管的稳稳压管的稳定电压定电压UZ=5V ；它们的输入电压为图（它们的输入电压为图（c c）所示的三角波。试画所示的三角波。试画出图（出图（a a）所示电路的输

29、出电压所示电路的输出电压UO1和图（和图（b b）所示电路的输出电压所示电路的输出电压UO2。uI/V50-5t图图(c)解：图解：图(a) (a) 为过零比较器。为过零比较器。 AuOuIDZR图图(a)当当uI0时，时，uO1=-UZ = -6V 。6uo1/Vt0-65-5t0uo2/VuI/V50-5t-2 AuOuIDZUZR1R2RUREFuO图图(b)VVURRUREFT225512当当uI2V时，时，uO1=-UZ = -5V 。特点：结构简单，灵敏度高；特点：结构简单，灵敏度高；抗干扰能力差，易造成电路误动作。抗干扰能力差，易造成电路误动作。6.3.3 滞回比较器滞回比较器令

30、令uP= uN，求出阈值电压，求出阈值电压uN = uI，uO=UZ ； AuOuIDZUZR1R2RUREFZREFPURRRURRRu211212ZREFTURRRURRRU2112121ZREFTURRRURRRU2112122uO0uI设设t=0时，时，uO=+UZ ，当当uIUT2 ，uIUT2时，时，UT1UT2 up =UT1 。uIUT1时，时，当当uIUT1 ， up =UT2 。重复上述过程重复上述过程回差电压回差电压衡量抗干扰能力的强弱衡量抗干扰能力的强弱越大，抗干扰能力越强，但灵敏度差。越大，抗干扰能力越强，但灵敏度差。ZURRRUUUTTT211122up =+UT2

31、 ；uO=+UZuO= -UZ ，uO= -UZ ，uO=+UZ 电压比较器一般接成施密特触发电路的形式，使电压比较器一般接成施密特触发电路的形式，使其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发电平，这其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发电平，这个电平差称为回差电压。让回差电压大于信号中的噪个电平差称为回差电压。让回差电压大于信号中的噪声幅值，可避免比较器在触发点附近因噪声来回反转，声幅值，可避免比较器在触发点附近因噪声来回反转，回差电压越大，抗干扰能力越强。但回差电压的存在回差电压越大，抗干扰能力越强。但回差电压的存在使比较器的触发点不可避免地偏离理想触发位置，造使比较器的触发点不可避免地偏离理

32、想触发位置，造成误差，因此回差电压的选取应该兼顾抗干扰和精度成误差，因此回差电压的选取应该兼顾抗干扰和精度两方面的因素。两方面的因素。 例例2 2 在图（在图（a a）所示的电路中，已知所示的电路中，已知R1=50k=50k ，R2=100k100k ，稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压UZ=9V，输入电压输入电压uI的波形如图（的波形如图（b b）所示，所示，试画出试画出uO O的波形的波形。 AuOuIDZUZR1R2R图（图（a）3-3uI/V0t图（图（b）9-9uO/V0t解：解：ZTURRRU211uO9-90uI+3-3VV3910050506.3.4 窗口比较器窗口比较器uOuI

33、D1 A1D2R1 A2-+URHURLuO1uO2R2DZ设设URH URL ，R1 、 R2和和DZ构成限幅电路。构成限幅电路。当当uI URH，当当uI URL，当当URL uI URH， uO1 = uO2 =-UOM，UzURLURHuO0uID1导通，导通， D2截止，截止， D1截止，截止，D2导通，导通，D1和和D2均截止，稳压管截止，输出电压均截止，稳压管截止，输出电压uO = 0uO1 =+UOM，uO2 = -UOM 。uO1 =-UOM， uO2 = +UOM 。uO = UZuO = UZn1. V/ F 转换器定义和指标转换器定义和指标 定义：定义：V/ F (电压

34、电压/频率频率)转换器能把输入信号电压转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，故又称为电压控制号电压值成比例，故又称为电压控制(压控压控)振荡器振荡器(VCO或或VFC )。 指标：额定工作频率和动态范围，灵敏度或变换系数，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。非线性误差，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转换器转换器 n2. 应用应用：在调频，锁相和：在调频，锁相和A/D变换等许多技术领域得到非变换等许

35、多技术领域得到非常广泛的应用，如用在数字式测量仪表中。常广泛的应用，如用在数字式测量仪表中。n主要用于信号隔离和远距离传输主要用于信号隔离和远距离传输 n（1）在工业现场或较大装置的计算机测量控制系统中，）在工业现场或较大装置的计算机测量控制系统中，由于各功能模块接地点的电位不同，它对系统内的各部分由于各功能模块接地点的电位不同，它对系统内的各部分电路，尤其是对模拟电路的正常工作有着很大的影响。所电路，尤其是对模拟电路的正常工作有着很大的影响。所以，测量现场的某些信号或控制设备往往要求隔离，以保以，测量现场的某些信号或控制设备往往要求隔离，以保护主机正常工作，完成各项控制功能，如前述的数字式测

36、护主机正常工作，完成各项控制功能，如前述的数字式测量仪表中。量仪表中。（2）模拟信号在传输过程中容易受到各种噪）模拟信号在传输过程中容易受到各种噪声干扰，而经过声干扰，而经过V/F转换后的数字信号具转换后的数字信号具有较强的抗干扰能力，故适宜远距离传输。有较强的抗干扰能力，故适宜远距离传输。 (3) 当隔离电压要求不是很高时可以用光电当隔离电压要求不是很高时可以用光电隔离器件来实现数据传送，而当隔离电压隔离器件来实现数据传送，而当隔离电压要求几千伏甚至上万伏时必须用光纤来传要求几千伏甚至上万伏时必须用光纤来传送。送。4. 电压频率转换的主要方式电压频率转换的主要方式 多谐振荡式多谐振荡式 电荷

37、平衡式电荷平衡式3. 电压频率转换信号隔离示意图电压频率转换信号隔离示意图（1）多谐振荡式工作原理：）多谐振荡式工作原理： 这种结构利用电流控制精密多谐振荡器作为基本定时这种结构利用电流控制精密多谐振荡器作为基本定时单元。输入级运算放大器把输入电压转换为与其成比例的单元。输入级运算放大器把输入电压转换为与其成比例的单极性电流来驱动多谐振荡器电路和定时电容器，这个电单极性电流来驱动多谐振荡器电路和定时电容器，这个电流决定定时电容的充放电速率，而定时电容又决定多谐振流决定定时电容的充放电速率，而定时电容又决定多谐振荡电路的工作频率。荡电路的工作频率。与输入信号成正比的输出频率与输入信号成正比的输出

38、频率经过一经过一个集电极开路的个集电极开路的NPNNPN三极管输出为方波。三极管输出为方波。（2）电荷平衡式工作原理：）电荷平衡式工作原理： 电荷平衡式电荷平衡式VFC由一个积分器、比较器、精密电荷源、单由一个积分器、比较器、精密电荷源、单稳多谐振荡器和输出三极管构成。输入信号既可为电压也可为稳多谐振荡器和输出三极管构成。输入信号既可为电压也可为电流。当积分器输出电压达到比较器的阈值电压时，输出三极电流。当积分器输出电压达到比较器的阈值电压时，输出三极管输出一个脉宽一定的负脉冲，同时精密电荷源被触发，并有管输出一个脉宽一定的负脉冲，同时精密电荷源被触发，并有固定的电荷从该积分器中被迁移。电荷放

39、电的速率与被施加的固定的电荷从该积分器中被迁移。电荷放电的速率与被施加的电压一致，因此电荷源被触发的频率即电压一致，因此电荷源被触发的频率即输出脉冲串的频率与输输出脉冲串的频率与输入电压成正比入电压成正比，所以实现了电压，所以实现了电压/频率转换。频率转换。（3）多谐振荡器式）多谐振荡器式与电荷平衡式与电荷平衡式VFC的比较的比较1）多谐振荡器式）多谐振荡器式VFC简单、便宜、功耗低，具简单、便宜、功耗低，具有单位占空比的方波输出。但是精度低于电荷有单位占空比的方波输出。但是精度低于电荷平衡式平衡式VFC，而且不能对负输入信号积分。，而且不能对负输入信号积分。（如（如AD654和和AD537)

40、2）电荷平衡式）电荷平衡式VFC比较精确，适合小的模拟信比较精确，适合小的模拟信号输入，而且输入信号可以为双极性，输出波号输入，而且输入信号可以为双极性，输出波形是脉冲串。缺点是对电路要求较高，输入阻形是脉冲串。缺点是对电路要求较高，输入阻抗低抗低(如如AD650、AD652和和VFC320)。（4）电荷平衡式电荷平衡式VFC 模块模块AD652原理及应用原理及应用n1）AD652简介：简介： AD652 是美国是美国AD公司的一种高线性度电荷平衡式公司的一种高线性度电荷平衡式V/F转换芯片。转换芯片。v 输出频率范围宽输出频率范围宽:2MHZ(MAX)。v 线性误差在满频度输出为线性误差在满

41、频度输出为1MHZ时最大为时最大为0.005%。v 增益误差：最大为增益误差：最大为1.5%（Fclk=4MHZ）。）。v 可与可与TTL或或CMOS电平兼容，外接电路简单（仅需一电平兼容，外接电路简单（仅需一个积分电容和上拉电阻）。个积分电容和上拉电阻）。v 单极性或双极性供电：单极性单极性或双极性供电：单极性0V36V， 双极性双极性-18V+18V。v单极性或双极性输入信号：单极性输入信号单极性或双极性输入信号：单极性输入信号0V10V,双极性输入信号双极性输入信号-5V+5V。n2）AD652组成及工作过程组成及工作过程 它主要由积分器、比较器、与门、它主要由积分器、比较器、与门、D触

42、发器、触发器、锁存器、转换开关锁存器、转换开关K、1mA恒流源、外部时钟组成恒流源、外部时钟组成一个闭环系统。单稳电路和输出集电极开路组成输一个闭环系统。单稳电路和输出集电极开路组成输出级。锁存器的出级。锁存器的Q端控制转换开关端控制转换开关K。当。当K打向积分打向积分器反向端，为积分器复位过程；当器反向端，为积分器复位过程；当K打向积分器输出打向积分器输出端，为积分过程。端，为积分过程。3）电荷平衡的建立）电荷平衡的建立 输入积分器有两种工作模式，一个是输入积分器有两种工作模式，一个是Integrate Mode（积分模式），一个是积分模式），一个是Reset Mode（重置模式）。重置模式

43、）。在积分时间在积分时间Ti内，输入电流内，输入电流Iin对积分电容对积分电容CINT充电，充电，Q=IinTi；在重置时间在重置时间Tr内，放电电流内，放电电流1mA- Iin对积分对积分电容电容CINT放电，放电，Q=(1mA- Iin) Tr 。Q=Q，即实现了即实现了电荷平衡。电荷平衡。所谓的电荷平衡是指所谓的电荷平衡是指在输入信号电流和内在输入信号电流和内部精密电流源之间建部精密电流源之间建立的一种电荷平衡。立的一种电荷平衡。4）电压到频率的转换）电压到频率的转换 可见，在可见，在Rin、F CLC一定的情况下，一定的情况下，FOUT与与Vin呈线性关系，呈线性关系，从而实现了从电压

44、到频率的转换。由上可知从而实现了从电压到频率的转换。由上可知V/F转换实质上就转换实质上就是向积分器输入一个电流是向积分器输入一个电流Iin ，通过对积分器正通过对积分器正/反向充电时间反向充电时间的控制，实现输入电压到输出频率的转换。的控制，实现输入电压到输出频率的转换。V/F 转换实质上也转换实质上也是一个是一个I/F转换器。转换器。由由Q=Q出发，我们可以推导出输入电压和输出频率的关系：出发，我们可以推导出输入电压和输出频率的关系：IinTi=(1mA-Iin) TrininriII1TTmAinrriI1TTTmATr为输入时钟周期，（为输入时钟周期，（Tr+Ti）为输出脉冲周期。为输

45、出脉冲周期。ininininoutclcVmARRVmAFF1/1201201clcinclcininclcinoutFVmAKFVmARFVF 频率是工业控制系统中的一个重要检测参数，通常是用数频率是工业控制系统中的一个重要检测参数，通常是用数字频率计来测量。在某些控制系统中字频率计来测量。在某些控制系统中(如恒定调速系统如恒定调速系统)，为了，为了实现闭环控制，需要将频率的变化转换成直流电压。由于常规实现闭环控制，需要将频率的变化转换成直流电压。由于常规的测速反馈元件的测速反馈元件测速发电机的精度已不能满足高精度闭环控测速发电机的精度已不能满足高精度闭环控制的要求，需用高精度的频率制的要求

46、，需用高精度的频率电压转换器来代替测速发电机，电压转换器来代替测速发电机，以提高闭环控制精度。以提高闭环控制精度。1. 频率一电压变换工作原理频率一电压变换工作原理 频率频率电压变换是将各种形式的频率（或周期）信号，如电压变换是将各种形式的频率（或周期）信号，如正弦波、三角波、扫描波等，变换成矩形波，然后经滤波后取正弦波、三角波、扫描波等，变换成矩形波，然后经滤波后取出直流分量。由于被测信号的领率与矩形波直流分量成正比，出直流分量。由于被测信号的领率与矩形波直流分量成正比，可以测量矩形波的直流分量来反映被测频率。下图所示就是频可以测量矩形波的直流分量来反映被测频率。下图所示就是频率率电压转换器

47、的原理方框图。电压转换器的原理方框图。6.4.2 f/V转换器转换器 以转速测量为例，因转速传感器发出的脉冲数所包含以转速测量为例，因转速传感器发出的脉冲数所包含的面积的面积 等于每转时间等于每转时间T0与电压平均值与电压平均值U0的乘的乘积，可得：积，可得：udtnudtnfudtnTU001 LM131系列集成芯片可用作系列集成芯片可用作f/V变换器（或变换器（或V/f ）。它的。它的输出电压与输入信号的频率成正比。详细内容见输出电压与输入信号的频率成正比。详细内容见芯片介绍。芯片介绍。 可见，其输出矩形脉冲的平均值取决于可见，其输出矩形脉冲的平均值取决于 (1)转速传感转速传感器每转发出

48、的脉冲数器每转发出的脉冲数n (2)每个矩形脉冲的面积每个矩形脉冲的面积 (3)转速频率转速频率f。udt2. 集成集成f/V变换器变换器 对某种已知的转速传感器，对某种已知的转速传感器，n为已知，因此只有在矩为已知，因此只有在矩形脉冲面积为常数时，传感器直流输出电压形脉冲面积为常数时，传感器直流输出电压U0才正比于被才正比于被测频率测频率f。为了提高转换精度，传感器测量电路必须保证为了提高转换精度，传感器测量电路必须保证整形电路所产生的脉冲面积为某一恒定值。整形电路所产生的脉冲面积为某一恒定值。6.5 电压电流转换电路电压电流转换电路 6.5.1 I/V转换器转换器 1. 电流一电压转换的原

49、理电流一电压转换的原理如图所示，输出电压与输如图所示，输出电压与输入电流的入电流的 关系为：关系为：ifIRU0的输出电压。范围内，获得在取VmAIkRkRRif1001003151525013.,., 如图所示的电流一电压转换如图所示的电流一电压转换电路，输出电压与输入电流电路，输出电压与输入电流的的 关系为：关系为：ifIRRRRU31102.2. 0 010mA10mA0 05V5V转换电路转换电路 当变送器的输出信号为电流信号时当变送器的输出信号为电流信号时, ,要转化成可被单片机要转化成可被单片机系统处理的电压信号，需经系统处理的电压信号，需经I IU U转换。最简单的转换。最简单的

50、I IU U转换可转换可以利用一个以利用一个500500的精密电阻，将的精密电阻，将0 010mA10mA的电流信号转换为的电流信号转换为0 05V5V的电压信号。的电压信号。 对于不存在共模干扰的对于不存在共模干扰的0 010mA10mA信号，如信号，如DDZ-DDZ-型仪表的型仪表的输出信号等，可用图输出信号等，可用图3-653-65所示的电阻式所示的电阻式I IU U转换，其中转换，其中RCRC构构成低通滤波网络成低通滤波网络,R,RW W用于调整输出电压值。对于存在共模干扰用于调整输出电压值。对于存在共模干扰的情况，可采用隔离变压器耦合的方式，将其转换为的情况，可采用隔离变压器耦合的方

51、式，将其转换为0 05V5V电电压信号输出，在输出端接负载时，要考虑转换器的输出驱动压信号输出，在输出端接负载时，要考虑转换器的输出驱动能力，一般在输出端可再接一个电压跟随器作为缓冲器。能力，一般在输出端可再接一个电压跟随器作为缓冲器。 如图所示为一实用的如图所示为一实用的I IU U转换电路，其实质是同相转换电路，其实质是同相放大器电路，利用放大器电路，利用0 010mA10mA电流在电阻上产生输入电压，电流在电阻上产生输入电压，若取若取200200，则，则I I 10mA10mA时，产生时，产生2V2V的输入电压，的输入电压，该电路的放大倍数为：该电路的放大倍数为：11RRAf/2. 05

52、V/010mA转换电路转换电路50RUIi77RRURRUIWiWfL比较的结果比较的结果Ui=Uf1. 简单电压简单电压电流变换电流变换6.5.2 V/I转换器转换器 3. 010V010mA DC转换电路转换电路输入电压。范围内线性地对应输出电流在时，当VDCmARRVRVIffiff100,10020050iiffiPNVRRVVkRRkRRVVVRRRVRRRVVVVV51:20100,)(14432112322141422则有，若令又 4. 15V420mA DC转换电路转换电路 将将15V输入电压转换为输入电压转换为420mA输出电流，输出电流，如图如图3-55所示。所示。 其中基

53、准电压其中基准电压VB10V，输入电压加在基准电压输入电压加在基准电压VB上，从反相端输入。晶体管上，从反相端输入。晶体管T1、T2组成复合管，作为射组成复合管，作为射极跟随器并降低极跟随器并降低T1的基极电流，使的基极电流，使I0I1 （ I0=I1 - I2 ） 。ffBiNNfBBBPNRVIRVVVKRVVIKKVRRKVVVVRRR24124)1 (24:1221，则有若RKVKVIRKVIiBfi)()(,112421121021,)1 ()1 (24,IIIIRKVKVIRKVIiBfi 若取若取Rf62.5，K14，则当则当Vi15V时，时，I1=420mA，但输出电流但输出电

54、流I0比比I1 小一个误差项小一个误差项I2 ，且该误且该误差项为一变量差项为一变量，在输出电路为在输出电路为4mA时误差最大。为了减时误差最大。为了减少转换误差少转换误差，实际电路可取实际电路可取R140.25k，R2 40k， Rf 62.5， KR10k ，可使误差降到最小。可使误差降到最小。 采用上述电路时需要注意，在运放采用上述电路时需要注意，在运放A两端有较高的两端有较高的共模电压，当电源电压为共模电压，当电源电压为24V时，同相端和反相端的电压时，同相端和反相端的电压可高达可高达21.2V ，因此，在运放的选用时要选取具有耐高因此，在运放的选用时要选取具有耐高共模电压的运放；同时

55、由于共模电压的运放；同时由于A的最大输出电压接近电源电的最大输出电压接近电源电压，因此对该运放的最大输出电压亦有要求。压，因此对该运放的最大输出电压亦有要求。50.10.5V15mA转换电路转换电路 其作用是将其作用是将0.10.5V输入电压转换成恒流输入电压转换成恒流15mA输输出，其电流不受负载的影响。采用了负载接地的电流源，出，其电流不受负载的影响。采用了负载接地的电流源，其电路原理如图其电路原理如图3-56所示。所示。关。输出电流与输出电压无则时，当满足：120121311013121213111200RUIRRRURRRRRRUIii它由两个运算放大器组成，其线路的主要优点是易恒流，

56、它由两个运算放大器组成，其线路的主要优点是易恒流，另外没有共模电压。其输入与输出关系为：另外没有共模电压。其输入与输出关系为：kRkRRmAVmAVRRR9 .991001005 . 05 . 011 . 0%06. 0100131112121311，电阻选择如下：，时，输出电流为输入电压为；时输出电流为为了在输入电压为，实际误差会更小。所引起的相对误差为时，不超过则会产生误差，若误差时，若未满足条件，即01312121311121301202011211113011URRRRRRURURUUIRURURURUii6. 集成集成UI 转换电路转换电路 在实现在实现05V/DC，010V /DC

57、 及及15V/DC 与与010mA/ DC ，420mA/DC转换时，也可直接采用集成电压电流转转换时，也可直接采用集成电压电流转换电路来完成，下面以高精度电压电流变换器换电路来完成，下面以高精度电压电流变换器ZF2B20和和AD694 为例来分析这种电路的使用。为例来分析这种电路的使用。 ZF2B20是通过是通过U/I变换的方式产生一个与输入电压成比变换的方式产生一个与输入电压成比例的输出电流。它的输入电压范围是例的输出电流。它的输入电压范围是010V ，输出电流是输出电流是420mA(加接地负载加接地负载) ，采用单正电源供电，电源电压范围为采用单正电源供电，电源电压范围为1032V ，它

58、的特点是低漂移，在工作温度为它的特点是低漂移，在工作温度为-24+85范围范围内，最大漂移为内，最大漂移为0.005/ ，可用于控制和遥测系统，作为可用于控制和遥测系统，作为子系统或分系统之间的信息传送和传输连接。子系统或分系统之间的信息传送和传输连接。 ZF2B20的输入电阻为的输入电阻为10k，动态响应时间小于动态响应时间小于25 s，非线性小于非线性小于0.025。 利用利用ZF2B20实现电压电流转换极为方便。下面图示实现电压电流转换极为方便。下面图示电路是一种带初始较准的电路是一种带初始较准的010V到到420mA转换电路；转换电路； AD694则是一种带满度较准的则是一种带满度较准

59、的010V到到010mA转换电路。转换电路。 另一种常用的另一种常用的U/I转换器是转换器是AD公司的公司的AD694。D694是一种是一种420mA转换器，适当接线也可使其输出范围为转换器，适当接线也可使其输出范围为020mA。上图为。上图为D694的外引脚图。的外引脚图。AD694的主要特点是：的主要特点是： 1)输出范围：输出范围： 020mA ，420mA 。2)输入范围；输入范围；02V或或010V。 3)电源范围：电源范围：+4.536V。 4)可与电流输出型可与电流输出型DA转换器直接配合使用，实现程控电流输出。转换器直接配合使用，实现程控电流输出。 5)具有开路或超限报警功能。

60、具有开路或超限报警功能。 对于不同的电源电压、输入和输出范围，其引脚接线也各不相同，对于不同的电源电压、输入和输出范围，其引脚接线也各不相同，下表下表3-3为其不同场合使用时的接线表。为其不同场合使用时的接线表。 AD694 的使用也较为简单，的使用也较为简单，对于对于010V输入，输入，420mA输输出，电源电压大于出，电源电压大于12.5V的情况的情况可参考右图的基本接法。在这可参考右图的基本接法。在这种情况下，输出能驱动的最大种情况下，输出能驱动的最大负载为：负载为：RL(Vs-2)20mA (k) 如当电源电压为如当电源电压为12.5V时，其最大负载电阻为时，其最大负载电阻为525。