第8章信号转换技术2013检测与转换

2/6/20231HarbinEngineeringUniversity第八章信号转换技术

模拟开关

采样/保持器

电压比较器

D/A和A/D转换电路

自整角机、旋转变压器轴角/数字转换原理及电路

2/6/202328.1模拟开关

每一个模拟开关至少都应包含两个部分：用于切换模拟信号的开关元件和按照控制指令驱动开关元件完成通断转换的驱动电路。

常用的模拟开关有机电式和电子式两大类。前者主要包括各种电磁继电器，后者主要包括二极管、双极型晶体管（bipolartransistor）、场效应管（FieldEffectTransistor，FET）等构成的开关。2/6/20233双极型晶体管模拟开关一、双极型晶体管模拟开关

双极型晶体管有三种工作状态：发射结正偏、集电结反偏-放大状态；两个结都正偏-饱和导通；两个结都反偏-截止状态。

2/6/20234

则令通道控制信号UC1=0，晶体管T1′截止，集电极为高电平，晶体管T1导通，输入信号电压Ui1被选中。设选择第1路模拟信号。多路开关工作原理：2/6/20235同理：当令通道控制信号UC2=0

时，则选中第2路模拟信号，

UO=Ui2

。注意：在控制信号UC1～UC8中不能同时有两个或两个以上为0。优点：缺点：②电流控制器件，功耗大，集成度低，一个方向传送信号。①漏电流大，开路电阻小，导通电阻大。开关速度快。2/6/20236二、结型场效应管模拟开关

结型场效应管模拟开关当时，开关导通；当时，开关截止。

2/6/20237优点：缺点：开关切换速度快，导通电阻小，且随信号电压变化波动小；易于和驱动电路集成。衬底要有保护电压。集成电路开关工作原理如下：

设选择第1路输入信号，则计算机输出一个4位二进制码，把计数器置成0001状态，经四—

十六线译码器后，第1根线输出高电平，场效应管T1导通，UO=Ui1

，选中第1路信号。

如果要连续选通第1路到第3路的信号，可以在计数器加入计数脉冲，每加入一次脉冲，计数器加1，状态依次变为0001，0010，0011。2/6/202391、CD4051（八选一模拟开关）三、常用电子模拟开关及在系统中的应用CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。开关电路在整个UDD-VSS和UDD-UEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端＝“1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。2/6/2023102、CD4052B（二组四选二模拟开关）

D4052/CC4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，有A、B两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。开关电路在整个UDD-VSS和UDD-UEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关，当INH输入端=“1”时，所有通道截止。二位二进制输入信号选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出。

2/6/2023113、CD4053B（三组二选一模拟开关）

CD4053/CC4053是三组2通道数字控制模拟开关，有三个独立的数字控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和低的截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰-峰值至20V的数字信号。开关电路在整个UDD-VSS和UDD-UEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端＝“1”时，所有通道截止。控制输入为高电平时，“0”通道被选，反之，“1”通道被选。2/6/2023121WPUTSTATES“ON”CHANNELSINHIBITCBACD4051BCD4052BCD4053B000000x,0ycx,bx,ax000111x,1ycx,bx,ay001022x,2ycx,by,ax001133x,3ycx,by,ay01004cy,bx,ax01015cy,bx,ay01106cy,by,ax01117cy,by,ay1ФФФNONENONENONECD4051、CD4052、CD4053真值表2/6/2023134、模拟开关在系统中的应用

应用1：应用在数据采集系统中应用2：应用在数据分配系统中应用3：应用在差动放大器中应用4：应用在程控放大器中2/6/202314四、模拟开关的性能分析1.截止通道对导通通道的影响

(1)截止通道的漏电流影响A点产生的误差电压：当：2/6/202315(2)高频信号串扰影响

切换多路高频信号时，截止通道的高频信号会通过通道之间的寄生电容和开关源漏极之间的寄生电容在负载端产生泄漏电压，这种现象称为串扰，寄生电容和数值越大，信号频率越高，串扰就越严重。

2/6/2023162.各通道的开关导通电阻或信号源内阻失配所产生的切换噪声

如果各通道开关的导通电阻或各信号源内阻不等，即使各通道输入电压相同，其输出也不会相等，信号源内阻应尽量一致。3.模拟开关的切换速率

模拟开关输出端对地的电容总和对开关的切换时间影响很大，每一开关的对地电容都增加了，因而每个通道开关的导通时间，截止时间和稳定时间都比单个模拟开关有所增加，可用的最高切换速率也随之降低。模拟开关必须“先断后开”，设由一路切换到另一路所需要的最小时间为，若对n路信号进行顺序开关，则每个开关可用的最高切换速率为：2/6/2023178.2采样/保持器一、工作原理

采样/保持器工作原理2/6/202318采样/保持器构成①采样时：②在保持期间：

式中：

等效电路2/6/202319

对于采样/保持器来讲：减少充电电阻是保证采样精度的关键。增大放电电阻是保证保持精度的关键。

假设经过这段时间的采样，电容端电压与输入电压的相对误差不超过，则：即：再假设经过结束时，电容端电压的相对衰变不超过，则：2/6/202320二、基本电路采样/保持电路的基本结构有串联型和反馈型两种。

串联型反馈型

对串联型采样/保持器，影响其精度的有两个运放的失调电压，而反馈型采样/保持器，影响其精度的只有运放A1的失调电压，所以其精度要高于串联型采样/保持电路。2/6/202321三、采样/保持器的有关参数1.捕捉时间

当发出采样命令后，采样/保持电路输出从原来所保持的值，到达当前输入信号的值所需的时间，称为捕捉时间（capturetime）。

2.孔径时间

理想的采样过程是在采样时刻瞬间，使开关K闭合，而其它时间则开关断开，并不参考开关的动作时间，而实际的采样/保持电路中，开关是需要一定的动作时间的。在保持命令发出后，直到开关完全断开所需要的时间称为孔径时间（aperturetime）。

捕捉时间tU孔径误差实际输出希望的输出模拟信号保持采样保持指令发出时刻TAP△tAPTACtST保持

为了量化的准确，应在发出保持指令后延迟一段时间，再启动A／D转换。2/6/2023233.保持电压的衰减率

在信号保持期间，由于泄露电流的存在，将引起保持电压的衰减，衰减速率（decayrate）用下式计算：

式中：I:包括运放偏置电流，开关断开漏电流和保持电容内部泄露电流等；C:保持电容的电容量。2/6/202324四、应用方法1.采样/频率的选择

系统可用的最高采样频率为：

式中：

：获得时间

：指模拟开关的稳定时间

：A/D转换时间

2.采样/保持器集成芯片及安装与调整

采样/保持电路大都是集成在单一芯片中，芯片内不含保持电容，保持电容须外接，由用户根据需要选择。为了防止数字电路对模拟电路的干扰，许多S/H电路的模拟部分的地线和数字部分的地线并不相连，而是接在不同的引脚上，当它与A/D转换器相连时，这两个地线应分别接到A/D转换器的模拟地和数字地上。集成采样保持器将采样电路、保持器制作在一个芯片上，保持电容外接，由用户选用。电容的大小与采样频率及要求的采样精度有关。集成采样保持器分三类：1、用于通用目的的芯片，如AD583K,AD582,LF398；2、高速芯片，如THS-0025,THC-0300等；3、高分辨率芯片，如SHA1144等。集成采样保持器1、AD5821脚：同相输入端，2脚：空；3脚和4脚接直流调零电位器；5脚：负电源6脚和8脚之间接保持电容；7脚：空；8脚：输出端；9脚：是反相输入端；10脚：正电源；11脚和12脚：逻辑控制端;13、14脚：空；

AD582的特点：1）±9V~±18V供电，典型工作电压是±15V，输入信号可达电源电压可适用于12位A/D转换器。2）有较高的输入阻抗，约30M欧姆；3）有较短的信号捕捉时间，最短达6μs。该时间与所选择的保持电容有关，电容值越大，捕捉时间越长，它影响采样频率。4）具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力。5）模拟开关由差动的逻辑输入端L+和L-控制，U（L+-L-)在-6V～0.8V时，AD582处于采样模式，U（L+-L-)在+2V～+VS之间时，处于保持模式。

低电平采样；高电平保持。

6)AD582可与任何独立的运算放大器连接，以控制增益或频率响应，以及提供反相信号等。AD582实用电路（一）增益为1，输出不反相的连接线路AD582实用电路二是输出不反相电路，电路增益可由外接电阻来选择，增益K=(1十RF／R1)。

所以AD582外接较小的电容可获得较高的采样速率：当精度要求不太高（±0.1%）而速度要求较高时，可选CH=100pF，这时的捕捉时间tAC≤6s。当精度要求较高（±0.01%）时，为减小馈送的影响和减缓保持电压的下降，应取CH=1000pF

。1脚：V+；

2脚：接1K电阻，调节漂移电压；3脚：VIN4脚：V-，5脚：VOUT；6脚：接保持电容CH；7脚和8脚是两个控制端，控制开关的通断。7脚接参考电压，8脚接控制信号。LF398也是反馈型采样／保持器。LF3982023/2/633LF398集成

采样

／保持

器原

理电路

主要特性：

1）具有较低的捕捉时间。外接电容CH=100pF采集时间是6μs，可满足8位A／D要求；若CH=1000pF，采集时间为25μs，可满足12位A／D要求。

2）输入阻抗Ri＝30M欧，输出阻抗（保持状态）Ro=12Ω

3）供电电源±Vs在±9V～±18V范围内选择，输入信号电压可达电源电压±Vs，可适用于12位模数转换电路。

4）模拟地与数字地相互隔离，从而具有较强的抗干扰能力。

5）具有差动的逻辑控制输入端IN＋、IN-，当IN＋端相对IN-端的电压在-6V～0．8V时，电路处于采样状态；IN+偏置为+2V～Vs时，处于保持状态。

控制电压UK(控制端8和7之间电压)为TTL电平，7端接数字地，当8端为高电平(UK>1.4V)时，LF398处于跟踪状态，当UK负跳变(从“1”变为“0”)时，LF398转向保持状态。高电平采样；低电平保持。

2023/2/636采样／保持器的应用

采样／保持器的典型应用是多通道数据采集系统，一个有代表性的系统如图所示。2023/2/637多通道数据采集系统

2023/2/638多通道数据采集系统

通道地址S/H指令SH转换启动EOC保持建立时间T2023/2/639多通道数据采集系统

2/6/2023408.3电压比较器

一、电压比较器的原理与结构及实际性能分析

原理图理想输入输出关系实际输入输出关系

理论上比较器的差动输入极性的微小变化就会引起输出的状态变化，但从上图中我们可以看出由于死区的存在，比较器从一个状态翻转到另一个状态是需要一定的差动电压的，这个使比较器的输出翻转的最小差动输入电压值称为比较器的灵敏度。2/6/202341二、电压比较器的基本应用电路1.电平检测

2.窗口比较器

原理图原理图输入输出关系输入输出关系2/6/202342例：试设计一个窗口比较器，当输入信号在-8V至+7V之间时，给出“1”电平，当输入信号超出这一范围时，给出“0”电平。因为输入信号变化的范围较大，所以选双比较器LM193，它能承受较大的共模和差动输入电压，失调和输入偏置电流较小，输出能与TTL相兼容。参考电压-8V和+7V可以从电阻分压器中取得，两个比较器相“与”后再输出。首先计算分压网络，设电阻分压器中流过的电流为1mA，则总电阻R等于：取：

则：

2/6/2023433.迟滞比较器

同相端电位为：

当时，比较器输出翻转，故阈值电压为：当时：2/6/202344当时：两个阈值电压之差为：

例：试设计一个迟滞比较器，其输出高电压5V，输出低电压0V.参考电压3,5V,要求两个阈值点的电压差为0.4V,试该出设计电路图和参数计算及和的值。

解：由于：已知：设：则：作业：电路如图(a)所示，Dz为稳压管，将输出电压限制为±10V，试求门限电压，画出传输特性和图(b)所示输入信号下的输出电压波形。

(a)(b)2/6/2023452/6/2023464.移相电路和峰值（过零）检测电路

移相电路（phaseshiftcircuit）和峰值检测电路（peakdetectioncircuit）也是常用的电路之一。移相前

90度移相后过零比较器输出47多路通道数据采集系统2/6/2023482023/2/649多通道数据采集系统2/6/202350A/D转换芯片AD16742/6/2023518.4D/A和A/D转换电路

一、D/A转换

1.D/A转换原理

D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成电压或电流形式的模拟量输出。因此，D/A转换器可以看作是一个译码器。一般线性D/A转换器，其输出模拟电压u和输人数字量D之间成正比关系，即:

用二近制数的每一位数码按权大小产生一个电压，此电压的值正比于对应位码的权值。2/6/2023522.D/A转换电路

(1)权电阻网络的DAC转换器

根据以上原理图，有：因：得：2/6/202353(2)T型网络的DAC

2/6/202354(3)倒T型网络的DAC而流入各2R支路的电流依次为：

流入运算放大器反相端的电流为：

2/6/202355运算放大器的输出电压为：

若：，将代入，得：推广得：

倒T型电阻网络也只用了R和2R两种阻值的电阻，但和T型电阻网络相比较，由于各支路电流始终存在且恒定不变，所以各支路电流到运放的反相输入端不存在传输时间，因此具有较高的转换速度。2/6/2023563.D/A转换的主要技术指标

(1)满量程满量程是输人数字量全为1时再在最低位加1时的模拟量输出。它是个理论值，可以趋近，但永远达不到。(2)分辨率指单位数字量的变化所引起的模拟量的变化，通常定义为满量程电压与2n之比值，也可用满量程的百分数来表示。

(3)转换精度实际输出值与理论计算值之差。这种差值越小，转换精度越高。转换过程中存在各种误差，包括静态误差和温度误差。静态误差主要由非线性误差、零位误差以及比例系数误差构成：

(a)非线性误差(b)零位误差(c)比例系数误差2/6/2023571.A/D转换原理

将时间上连续变化的信号经过采样获得时间上离散的样值脉冲，再经过保持电路可以得到阶梯波。一方面，由于阶梯的幅度是任意的，将会有无限个数值；而另一方面，出于数字量的位数有限，只能表示有限个数值(n位数字量只能表示2n个数值)，因此，必须将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化（quantification）。量化后，需用二进制数码来表示各个量化电平，这个过程称为编码（code）。量化与编码电路是A/D转换器的核心组成部分。量化过程中，这个指定的离散电平称为量化电平。相邻两个量化电平之间的差值称为量化间隔S，位数越多，量化等级越细，S就越小。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。

二、A/D转换

它由电阻分压器、电压比较器及编码电路组成，输出的各位数码是一次形成的，它是转换速度最快的一种A/D转换器。输入模拟电压uI比较器输出编码器输出Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0D2D1D000000000000000000010010000001101000000111011000111111000011111110101111111110111111111112/6/2023602.A/D转换电路

(1)反馈式A/D转换器反馈式的A/D转换器的工作原理根据数字逻辑线路输出的逻辑特性不同，可分为斜梯型、跟踪型和逐次逼近型几种不同的形式。其中逐次逼近式A/D转换器的逻辑线路首先置位1/2满量程数码，再通过DAC与模拟输入信号进行比对。如果DAC的输出比模拟输入信号大，则再衰减到1/4满量程数码去与输入信号比较；如果1/2满量程数码所对应的DAC输出比模拟信号小，则再增加1/4满量程（此时对应的DAC输出应是（1/2+1/4）满量程输出）的DAC输出，依次类推，一直使数字逻辑电路变化到最小的一个LSB，这样就完成了一次逐次逼近式的A/D转换过程。反馈型A/D转换器的基本线路

2/6/202361A/D转换电路原理图思考题对于逐次逼近的AD转换器AD1674来讲，转换0.8V的模拟转换电压和8V的模拟转换电压所需转换时间是否一样？如不一样，哪一个转换时间更长？为什么？2/6/2023622/6/202363(2)积分式A/D转换器在信号积分阶段：

设定：

在参考电压积分阶段：整理得：

采用了积分式的工作方式，对某些周期性（正负对称）的干扰信号可以进行有效的滤除，但由于积分需一定的时间，所以A/D转换过程时间较长。

2/6/202364双积分式A/D转换器的基本原理是：先对输入模拟电压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压的反相积分，直至积分输入返回初始值，这两个积分时间的长短正比于二者的大小，进而可以得出对应模拟电压的数字量。2/6/2023652/6/2023663.A/D转换的主要技术指标

1)分辨率

分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个输出为n位二进制数的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为(满量程输入的1/2n)。例如，A/D转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号为10V，则其分辨率为：(2)转换误差转换误差是指实际的转换点偏离理想特性的误差，一般用最低有效位来表示。注意：在实际使用中当使用环境发生变化时，转换误差也将发生变化。(3)转换时间和转换速度转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，转换时间是从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。转换时间越短，意味着A/D转换器的转换速度越快。2/6/202367典型数字控制系统框图6869输入寄存器DAC寄存器D/A转换器DI7：：：DI0：：：：：：&&&ILE1314151645671912181781211932010第一级缓冲第二级缓冲ＤＡＣ０８３２70各引脚功能：LE锁存信号输出随输入变化数据被锁存在输出端因此实现两级缓冲的信号：所以，DAC0832可以通过以上信号的控制实现直通、一级缓冲和双缓冲3种工作方式。71硬件设计。采用8255作为DAC与CPU之间的接口。电路图如下CPU8255A

PA0-7PB4：：：PB0DAC0832-++接示波器2/6/2023728.5自整角机、旋转变压器轴角/数字转换原理及电路

一、自整角机、旋转变压器的输出特性

1.自整角机对

自整角机由发送机和接收机所组成。每个发送机和接收机都是由一个两相绕组的转子和一个具有相隔120°分布的三相绕组的定子所组成。输出相电压：

2/6/2023732.正余弦旋转变压器

原边补偿的正余弦转变压器

激磁电压：

输出正、余弦电压：2/6/2023743.多极旋转变压器

为了提高系统精度，导航设备中常采用多极旋转变压器，以构成粗精组合的双速旋转变压器系统。将一对极和多对极做在一个旋转变压器中，叫做多极旋转变压器(multipolarresolver)。常用的多极旋转变压器有1：36，1：30和1：16等几种。一对极的结构称之为粗机，多对极的结构称之为精机。对于1：36对极的结构，精机的一周的电气角度相当于粗机(实际的机械角度)一周的1/36，因此其精度(分辨力)也比单精度旋转变压器高36倍。多极旋转变压器的应用中，一般大角度(卦限)由粗机给定，而卦限内的小角度由精机来确定，这样才能发挥其组合精度。2/6/2023754.自整角机和旋转变压器输出信号的相互变换

(a)自