第6章-信号转换电路

第6章信号转换电路作用：实现各种信号转换，如S/H、V/f、V/I、A/D。■6.1模拟开关■6.2采样保持电路■6.3电压比较电路★■6.4电压频率转换电路★■6.5电压电流转换电路★■6.6模拟数字转换电路★对信号转换电路的要求：线性转换较大的输入阻抗较大的驱动能力和动态范围其它应用要求第6章信号转换电路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量的转换;传感器（2）电量之间的转换;（3）从电量到物理量的转换;调节器第6章信号转换电路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。该开关由开关元件和控制（驱动）电路两部分组成。控制电路开关元件6.1模拟开关■

主要参数导通电阻Ron：开关闭合时的电阻；截止电阻Roff：开关关断时的电阻，主要由漏电引起；延迟时间：控制信号改变时对应产生的输出延迟时间。■

开关电路类型增强型MOSFFT开关电路：N沟道增强型和CMOS型；集成模拟开关电路：在同一芯片上集成多个CMOS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。6.1模拟开关增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型）6.1模拟开关CMOS开关电路6.1模拟开关集成模拟开关6.1模拟开关模拟多路开关电路6.2采样保持（S/H）电路■作用：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。■采样状态：电路输出信号稳定地跟踪模拟输入信号。■保持状态：电路输出信号保持采样结束时刻的瞬时值。■用途：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，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：从发出采样指令的时刻起，直到输出信号稳定地跟踪上输入信号为止所需的时间。■

关断时间：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。基本组成：1.模拟开关2.存储电容3.缓冲放大器6.2采样保持电路6.2.1基本原理当Uc=“1”时，S接通，ui向C充电，输出跟踪模拟输入信号变化——采样阶段(uo=uc=ui)。∞-+N1+∞-+N2+uiuoUcCSuc当Uc=“0”时，S断开，uo保持S断开瞬间的输入信号值——保持状态(uo保持uc值)。采样定理：采样频率fs>

2

fmax采样间隔Ts<1/

2

fmax通常取fs=(7~10)fmax

6.2.1基本原理■对采样保持电路的主要要求：精度和速度为提高实际电路的精度和速度，可从元件和电路两方面着手解决。6.2采样保持电路■模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流小，极间电容小和切换速度快。■存储电容：要选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容。■运算放大器：选用输入偏置电流小、频带宽及转换速率（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。元件性能要求6.2采样保持电路6.2.2单片集成采样保持电路(AD582)将运放、NMOS管模拟开关S和与门控制电路DG集成在一块芯片上(AD582)，其输出uo送入AD571的输入端，而AD571的状态输出端与AD582的控制端相连。由AD571的输出状态来控制AD582开关S的断和通，使AD582处于保持/采样状态。6.3电压比较电路■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响应时间，它一般低于10-20ns。响应时间与放大器的上升速率和增益-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。（2）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。6.3电压比较电路■作用：鉴别和比较两个模拟输入电压的大小。当ui<UR时，Uo为高电平“1”；当ui>UR时，Uo为低电平“0”；当ui=UR时，比较器翻转。Uo=UR-ui在高低电平变化瞬间，可用“虚短”和“虚断”进行分析，是模拟电路与数字电路之间联系的桥梁。Uouiui<URui>URoUR

-1+1uiUR#Uo6.3.1电平比较电路(单门限电平)

6.3.1.1差动型电平比较电路Uouiui<URui>URoUR

当ui<UR时，Uo为高电平“1”；当ui>UR时，Uo为低电平“0”；当ui=UR时，比较器翻转。Uo=UR-ui当UR=0时为过零比较器，又称鉴零器。如正弦波经过鉴零器后变为方波。-1+1uiUR#Uo6.3.1电平比较电路(单门限电平)

6.3.1.2求和型电平比较电路(门限电平可变)∞-++uiUoU

R1R2R∑称为门限电平。■优点：门限电平可变■缺点：振铃现象6.3.1电平比较电路(单门限电平)

6.3.1.2求和型电平比较电路(门限电平可变)当ui<UR时，Uo为高电平“1”；当ui>UR时，Uo为低电平“0”；当ui=UR时，比较器翻转。

由于干扰信号un的作用，当ui+un=UR时就产生误翻转，即“振铃”现象。unURuiUo∞-++uiUoU

R1R2R∑*6.3.2滞回比较电路(正反馈，两个门限电平)UouioU1

U2

设输出高低电平分别为UoH、UoL，则两个门限电平分别为：滞后电平：Uo-1+1uiUR#R1R2R调节R1或R2可调节滞后电平，使稍大于预计的干扰信号un，可消除“振铃”现象。ui<U1时Uo=UoH，ui>U2时Uo=UoL，U1<ui<U2时不翻转。常作为整形电路。*6.3.3窗口比较电路(两个门限电平)判断ui是否在两个电平之间。两个门限电平分别为：当ui<UR2时，Uo1=“1”，Uo2=“0”，则Uo=“1”；当UR2<ui<UR1时，Uo1=“1”，Uo2=“1”，则Uo=“0”；当ui>UR1时，Uo1=“0”，Uo2=“1”，则Uo=“1”。Uo-1+1uiE#R1R2RP-1+1#VS&Uo1Uo2U

R1U

R2N1N2UZ窗口宽度：UouioUR2

UR1

“1”

“0”

基准电压电路下限比较器上限比较器可调比较器的应用电路1vi和光成正比。在白天，光电探测器中的输出信号使得vi>VREF，此时，vo在Vs＝－15V附近，晶体管截止。在夜间，vi<VREF,vo在Vs＝＋15V附近，此时晶体管导通；继电器开关中的电流就使街灯打开。在傍晚和黎明，vi＝VREF。比较器的应用电路2用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出。

窗口比较器应用3

——三极管值分选电路当被测三极管的<150或>250，LED不亮，表示不合格；当150250，LED亮，表示合格。已知电源电压Vcc=12V，三极管集电极电阻R2=2K。LM393电压比较器电平比较电路（单限比较）差动型电平比较电路输入失调电压影响，存在共模电压；求和型电平比较电路没有共模电压，存在振铃现象；滞回比较电路（单限比较）具有迟滞回差形状；可以消除振铃现象，回差电压越小，抗干扰特性越好。窗口比较电路（双限比较）具有两个门限电压。电压比较器小结■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，故又称为压控振荡器(VCO)。■应用：在调频、调相和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。分类：积分复原型和电荷平衡型两种6.4电压频率转换电路

6.4.1V/f转换电路N1R1C——

反相积分器；6.4.1.1通用运放V/f转换电路

1.积分复原式V/f转换电路N2R5~R8——

滞回比较器；V——

积分复位开关；Vs1——稳定门限电平；Vs2Vs3——限制输出电压(限幅)。滞回比较器N2同相输入端的两个门限电平分别为：Uo=+UZ时，Uo=-UZ时，当ui=0时，uc=0，uo=-Uz，V截止，则门限电平为：Up=U2uc≤U2时，uo=Uz，V导通，C通过R3放电，uc增大，同时up=U1(突变)——放电过程，放电时间为T2当ui>0时，分两种情况：常数(非线性项)uc≥U1时，uo=-Uz，V截止，C通过R1充电，uc减小，同时up=U2(突变)

——充电过程，充电时间为T1(线性项)为提高V/f转换的线性度，要求第一项远远大于第二项特点因为复位电路具有非线性，所以精度和动态范围受到限制。提高精度的主要措施是缩小复位时间。若要使非线性误差从1％提高到0.01%，则复位时间必须减小到最小信号周期的0.01％以下。当额定工作频率为10KHZ时，信号的最小周期为0.1ms,这样，复位时间必须小于0.01uS，这个要求通常很难满足。必须改进复位电路，限制它的非线性影响。常采用电荷平衡法，而集成压－频变换器几乎都是按这种方案设计的。利用这种方法，可以得到精度很高，动态范围很宽的压－频变换器。6.4.1.1通用运放V/f转换电路

2.电荷平衡式V/f转换电路ttooucuot0t1N1RC——

反相积分器；N2——

过零比较器；Is——

恒流源发生器；当uo=“0”时，S断开，i向C充电，充电时间为t1，充电电荷为：ΔQ1=it1；当uo=“1”时，S接通，C放电，放电时间为t0，放电荷为：ΔQ0=(Is-i)t0。根据电荷平衡原理有：优点（1）输出脉冲频率与输入电流有精密的线性关系。可使非线性误差降到0.005％以下。（2）在复位电路中采用了两个精密部件－定时电路和恒流源，使放电电荷与输入信号无关，始终为定值，提高了变换电路的线性度。（3）易于集成化，通常将积分器，比较器，定时电路，恒流源和缓冲器集成在一块硅片上，应用时外加少量元件，就能调节比较器的门限电位，定时电路的输出脉宽和恒流源的输出电流，从而提高了其适应能力。6.4.1.2集成V/f转换器(LM131框图)精度高线性度高温度系数低功耗低动态范围宽6.4.1.2集成V/f转换器(LM131简化图)当ui>u6时，比较器输出高电平，Q=“1”，V2导通，则Uo=UoL≈0，同时S闭合，CL充电，u6增大，Ct充电，u5增大，充电时间t0，充电电荷：Qx=Ist0=1.9t0/Rs，t0≈1.1RtCt；当ui<u6，且u5≥2U/3时，单稳输出Q=“0”，V2截止，则Uo=UoH≈E，同时S断开，CL通过RL放电，u6减小，Ct通过芯片内放电管放电到零，放电时间t1，放电电荷为：QR=iLt1≈uiT/RL。根据电荷平衡原理有：应用实例信号预处理V/F转换光电耦合器单片机待测信号1～5V电压信号脉冲频率6.4.2f/V转换电路

6.4.2.1通用运放f/V转换电路定义：把频率变化信号线性地转换成电压变化信号的转换器称为f/V转换器。组成：电平比较器、单稳态触发器和低通滤波器。

放大与电平鉴别器单稳态触发器

低通滤波器usUsUsˊ6.4.2f/V转换电路

6.4.2.1通用运放f/V转换电路工作原理：输入信号ui通过比较器转换成快速上升/下降的方波信号去触发单稳态触发器，产生定宽(Tw)、定幅度(Um)的输出脉冲序列。将此脉冲序列经低通滤波器平滑，可得到比例于输入信号频率fi的输出电压uo=TwUmfi。组成：电平比较器、单稳态触发器和低通滤波器。6.4.2f/V转换电路

6.4.2.1通用运放f/V转换电路N1R3R4——

滞回比较器，输出方波信号u1；N2R1R2V1V2——单稳态触发器，使u2占空比随fi升高而增大；N3R12C2——低通滤波器，对u2求平均。

u1为低电平时，uN<0，N2输出高电平，V1V2导通，此时u2为低电平，即u2=“0”，C放电使up减小；V1截止时，

u1为高电平时，uN=UH>0，N2翻转输出低电平，V1V2截止，此时u2为高电平，即u2=Um，C充电使up增大，当up上升到UH时，使N2再次翻转“复位”，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不规则的脉冲波形变成幅度和宽度都相同的脉冲波形。低通滤波器输出：6.4.2f/V转换电路

6.4.2.2集成f/V转换器(LM131)要求：，，当ui无负脉冲输入时，u6≈U>u7，U1=“0”，Q=“1”，此时S接地，V2导通，u5=uct=0，U2=“0”；当ui有负脉冲输入时，u6<u7，U1=“1”，Q=“0”，此时S接“1”，V2截止，Is对CL充电，U通过Rt对Ct充电，u5增大，充电时间t1，充电电荷为：Qs=Ist1=1.9t1/Rs，t1≈1.1RtCt；当u5≥U-时，U2=“1”，此时u6已回升到u6>u7，U1=“0”，Q=“1”，S接地，CL通过RL放电，同时V2导通，Ct经V2放电，使u5=uct=0，U2=“0”。放电时间t2，放电电荷QR=iLt2≈uoTi/RL。根据电荷平衡原理有：6.5电压电流转换电路■作用：减小传输导线阻抗对信号的影响。6.5.1I/V转换电路1.

反相输入型uo∞-+N+iS

RSR2R1i

■要求:（1）电流源内阻RS很大；（2）iS>>Ib——运放的输入失调电压。6.5.1I/V转换电路*2.同相输入型■要求：

R4=R2//R3（R2和R3由i与uo的范围确定）uo∞-+N+UbR3R1i

R4R2ui■例：4~20mA→0~10V

取R1=250Ω，i=4~20mA，ui=1~5V→uo=0~10V

，，，，6.5.1I/V转换电路■例：4~20mA→0~5V

uN=uP=iSRuo∞-+N+RR1iS

R6R2+15VCuPuNR4R5R3RPRfVSUf取，，，调RP使Uf=7.53V，则uo≈312.5426iS-1.250=0~5V电流/电压变换器应用场合：光电池、光电阻检测元件的微电流测量。缺点：1.输入偏置电流Ib不为零，所以总是有误差存在。2.为了获得高精度的微电流放大器，必须选用开环输入电阻高、Ib小的场效应晶体管输入型运算放大器。但这种运算放大器的Ib随温度上升而成倍增加。6.5.2V/I转换电路

6.5.2.1运放构成的V/I转换电路■要求：R3>>RL

R4>>R7+RL取R1=R2，R3=R4，uN≈uP，则V1∞-+N+uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio6.5.2V/I转换电路■例：0~10V→0~10mA取R2=100kΩ，

R4=20kΩ，

R7=200Ω，

Ub=0，则■例：0~10V→4~20mA取R2=100kΩ，R4=20kΩ，

R7=125Ω，Ub=-2.5V，则V1∞-+N+uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio分析如图所示为什么电路，试分析其工作原理。取R1＝R2＝R3＝R4＝R0电压/电流转换电路在手机电池充电系统中的应用■分辨率：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，数字输出就会发生变化，能分辨的最小电压范围叫做分辨率。通常用LSB(一个单位分辨率)表示。■量化和量化误差：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，最大误差可达到1LSB的1/2。此误差叫做量化误差。6.6模拟数字转换电路

6.6.1A/D转换器■转换精度：实际ADC在量化值上与理想ADC量化值的差值，可用绝对误差或相对误差表示。由于实际ADC的量化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。■转换时间：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，采样速率是采样时间的倒数。6.6模拟数字转换电路

6.6.1A/D转换器A/D转换过程：采样、量化和编码6.6.1A/D转换器6.6.1.1基本原理■采样：在时间上离散，用模拟信号与脉冲序列相乘实现。■量化：在幅值上离散，利用四舍五入规则，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误差。■编码：编码与量化同时完成，通常用二进制码表示，即1.双积分式A/D转换器6.6.1.2A/D转换器工作原理■采样阶段T1：在T1时间内，Ui通过R向C充电，计数器同时对时钟脉冲开始计数，计数值为N1，采样阶段结束，计数器清零，积分器输出：T1=N1TC1．双积分式A/D转换器■比较阶段T2：在T2时间内，UR或(-UR)使积分器反相积分(UR与Ui极性相反)，同时计数器重新计数，计数值为N2，比较阶段结束，此积分器输出：UCUi1Ui2oT1T2T2ˊ把T1=N1TC，T2=N2TC代入上式得：

计数器记录的脉冲数N2表示被测电压Ui在T1时间内的平均值Uiav，实现了A/D转换。速度慢，抗干扰能力强。2.逐次逼近式A/D转换器从高位到低位，逐位比较。把比较位置1，其它位置0，将数字代码经D/A转换成对应的模拟电压US，用US与模拟输入电压Ui比较，若US>Ui该位置0，若US<Ui该位保留(置1)。速度和精度较高，应用广泛。3.并行比较式A/D转换器将基准电压UR分成相等的2n份，每份为UR/2n，等于最低有效位LSB电压值，并把UR/2n、2UR/2n、…(2n-1)UR/2n分别加到2n-1个比较器作参考电压，而把Ui以并联方式加到比较器的同相输入端，与各自的参考电压进行比较，获得与二进制相对应的2n-1个状态送入编码器，就可完成A/D转换。速度高，分辨率低，功耗大，价格高。当时，d1=1；当时，d0=1；当时，d0=1，d1=0。4.∑-ΔA/D转换器■

∑-Δ调制器：A/D转换

Δ——相邻采样点间信号的幅值之差；■采样：采样频率fs1=1/Δt>>fs，取fs=256fs——过采样；■量化：阶梯信号x1(t)≈x(t)，逼近误差e(t)=x(t)-x1(t)很小；■编码：x1(t)上升一个Δ时，y1(n)=1；x1(t)下降一个Δ时，

y1(n)=0；x1(t)不变时，没有y1(n)脉冲。

y1(n)