测控电路-9第六章-信号转换电路6课件

第六章信号转换电路从信号形态变换的观点将各种转换分为三种：（1）从自然界物理量到电量的转换：传感器（2）电量之间的转换：转换电路（3）从电量到物理量的转换6.1模拟开关6.2电压比较电路6.3电压频率转换电路6.4电压电流转换电路6.5模拟数字转换电路第六章信号转换电路模块法。将复杂电路分成几个功能模块，分别分析。标注法。在电路元件上标注当前工作状态。列表法。列出元件工作状态，和电参数的数值。6.1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。

模拟开关有三个端子：控制端C、信号输入端I及信号输出端O。有的I/O可以互换，称为双向开关。控制电路开关元件模拟开关的主要参数：导通电阻Ron：开关闭合时呈现的电阻。截止电阻Roff：开关断开时呈现的电阻。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。

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。6.1模拟开关6.1.1

增强型MOSFET开关电路一、N沟道增强型MOSFET开关电路SDGuiuoucRonuiO优点：Roff~1013

不足：Ron随ui增大而增大

6.1.1

增强型MOSFET开关电路二、CMOS开关电路

b）Ron-ui特性RonRon(C)Ron(N)Ron(P)uiO将P沟道与N沟道MOSFET并联uiuouGN+E-EuGP

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6.2.1基本原理采样保持(S/H)电路的基本组成：（1）模拟开关（2）模拟信号存储电容（3）输入、输出缓冲放大器

uoa）S/H电路原理b）模拟信号采样tTs∞-++N1∞-++uiSUCCtuoy(t)OOui,uoUCy(t)=Acos2πft

y(t)E1cos(2πfst)=AE1[cos2π(fs+f)t+cos2π(fs-f)t]/2采样定理：（1）采样频率fs>2fmax（2）采样间隔Ts<1/2fmax（3）通常取fs=(7~10)fmax

f

O

fmin

fmax

a)

F(f)

b)

E0

E1

E2

O

fs

2fs

f

Fs(f)

O

fmin

fmax

fs-

fmax

fs+

fmax

fs

2fs

f

F(f)*

Fs(f)

推理ys(t)=E0+E1cos(2πfst)+E2cos(4πfst)+…y(t)ys(t)=E0

y(t)+E1y(t)cos(2πfst)+E2y(t)cos(4πfst)+…fs-fmax>fmax对采样保持电路的主要要求：精度和速度，充电快、放电慢∞-++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6.2.1基本原理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，捕捉时间越长表示跟踪性能越差。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。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。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。6.2.1基本原理6.3电压比较电路

一、差动比较电路-1+1#uiUoURui<URuiUoUROui>URa）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-开关信号转换器。6.3.1电平比较电路：1/12/2023二、求和比较电路（阈值可变）优点：阈值可变缺点：振铃现象∞-++uiUoUR1R2RΣURuiun电平比较器的“振铃”现象Uo6.3.1电平比较电路1/12/2023

6.3.2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#uiUoURRR2R11/12/2023-1+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。

6.3.2滞回比较电路

6.3.3窗口比较电路

单方向多个阈值ui“1”“0”OUUR2UR1Uo-1+1#

&-1+1#uiVSR1RPR2Uo1Uo2UoUZN2N1UR2UR1E1/12/20236.4

电压频率转换电路6.4.1V/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)。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1/12/2023一、积分复原型V/f转换电路ui越高uC越快达到uP电平，比较器翻转越快比较器门限电平为：一、积分复原型

OU1U2uoT1T2tuCU2U1ttOOuP6.4.1V/f转换电路积分器充电过程的输出电压为：充电时间为：1/12/2023一、积分复原型

V∞-++N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比较器复原开关∞-++N1R2uiR1C积分器6.4.1V/f转换电路V截止，up为负向门限电平U21/12/2023一、积分复原型

V∞-++N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比较器复原开关∞-++N1R2uiR1C积分器6.4.1V/f转换电路V导通，且up=U1C放电，uC电位增大，当增大到uC负向增大,V截止1/12/2023时间段uiucupuo三极管V电容CI00U2-UZ截至II大于0负向增加，当uc≤U2U1+UZ导通放电负向减少，当uc≥U2U2-UZ截至充电V/f转换电路二、电荷平衡型uo∞-++N1∞-++N2SuiRIS单稳定时器uCiURC（1）线性好；（2）易于集成6.4.1V/f转换电路uC减小,N2翻转单稳态触发器输出窄脉冲信号S接通设计|Is|>i,uc电位正向增大当窄脉冲结束，S断开，ui又对C充电，周而复始。1/12/2023二、电荷平衡型uot1tuCtOOt06.4.1V/f转换电路根据电荷平衡有：1/12/2023许多频率解调电路都属于f/V转换电路6.4.2

f/V

转换电路f/V转换电路原理框图u1u2一、通用运放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N1构成滞回比较电路N2构成单稳态电路N3、R12、C2构成低通滤波电路f/V转换电路时间段uNuo2V1V2u2Cup常态负高电平uo2m导通导通0正触发脉冲正低电平截至截至高电平um充电逐渐上升经过TW负高电平uo2m导通导通0放电下降E×R6/(R+R6)→UHUH→E×R6/(R+R6)V/f转换电路：积分复原型

积分器，复原开关，比较器f

/V转换电路：正弦波，经过滞回比较器，转换成方波信号，经过单稳态电路，转换成窄脉冲信号，经过低通滤波器，转换成恒定电压值6.4.1电流/电压转换电路6.4电压电流转换电路R1uo∞-++NR2Rsisi一、反相输入型要求电流源is的内阻Rs必须很大，is需远大于运算放大器偏置电流6.4.1电流/电压转换电路二、同相输入型R2∞-++NuoR1R3R4iui当R1确定后，可根据i与uo的范围决定R2及R3。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。RLuiio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ioRLuiRRRL

6.4.1电压/电流转换电路ioR4R7+RL

R4∞-++NV2R5R1R3V1R2R6R7uNuPuiUb+ER1=R2，R3=R4

RL6.4.1电压/电流转换电路利用叠加法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UR——基准量值；2-i

——相应数码位的加权值。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；2i

——相应数码位的加权值。（一）二进制码6.5.1量值的数码表示主要技术指标（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。6.5模拟数字转换电路6.5模拟数字转换电路6.5.1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

'1F'2F'3F'4F'5F'6F'7F'8F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6.5.2D/A转换电路（一）加权电阻网络电路

R1URUoS2d2dnSn2R4R2n-1RS3d3S1d1R∞-++NI1I2I3InIoA电阻值差别太大

´不好制作、不好集成

6.5.2D/A转换电路（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URRS1S2S3RA1d1d2d3(MSB)2R2R2RUoRdn-1dn(LSB)2R2R2RIoSn-1SnR1A2A3An-1An1010101010∞-++N8RInI2R6.5.3A/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电子开关计数器控制逻辑数据输出标准时钟RCUiUR-URUC∞-++NUCUi1Ui2T1tO-UR-UR(1）Ui在T1内定时充电

6.5模拟数字转换电路6.5.3A/D转换电路(一）双积分式A/D转换器(2）根据UC(T