信号采集原理课件

信号转换电路

第一节

采样保持电路

信号转换电路第一节采样保持电路信号转换电路

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

②电量之间的转换

③从电量到物理量的转换

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从采样保持电路

?基本性质

?ui?t?

采样期

u0???ui?t0?

保持期(t0为发出保持命令的时刻）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，所需的时间定义为捕捉时间

关断时间：从发出保持指令地时刻起，直到输出信号稳定下来为止，所需的

时间定义为关断时间。

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。

采样保持电路?基本性质?ui?t?第一节

采样保持电路

采样保持电路的基本性质

组成：

1.模拟开关

2.模拟信号存储电容

3.缓冲放大器

第一节采样保持电路采样保持电路的基本性质组成：1.模第一节

采样保持电路

ui

,uo

a)uo

f(t)

Ofs(t)tOTs

t第一节采样保持电路ui,uoa)uof(t)第一节

采样保持电路

F(f)Ofmin

Fs(f)E0

OF(f)*

Fs(f)fs

b)E1

E2

2fs

f

fmax

a)f

fs＋fminOfmin

fmax

fs-

fmax

fs

fs+

fmax

2fs

f

fs－fmin第一节采样保持电路F(f)OfminFs(f)采样保持电路

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。

采样保持电路对采样保持电路的主要要求：元件性能的影响和要求

?输入输出缓冲器

∞

∞

-

+

+

N1

Uc

SC-

+

+

N2

uo

特别需注意的参数：输入偏置电流以及带宽，上升速率和最大u

输出电流等性能参数。

i元件性能的影响和要求?输入输出缓冲器元件性能的影响和要求

?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。

开关元件

控制电路

元件性能的影响和要求?模拟开关模拟开关是元件性能的影响和要求

?模拟开关的分类

按切换的对象分：电压和电流开关

电压模拟开关的特点是：当开关断开时，跨于它两端的电压总与被换接的电压Vx有关，而且通过开关的电流则与负载RL有关。

电流模拟开关的特点是：不管负载电阻RL的大小如何，流过开关的电流总是和被换接的电流Ix相等，而且换接的电压则由RL*Ix决定。

元件性能的影响和要求?模拟开关的分类按切换的对元件性能的影响和要求

?模拟开关的分类（电压和电流开关）

VXVKRLIxIKRL(a)电压开关(b)电流开关元件性能的影响和要求?模拟开关的分类（电压和电流开关）元件性能的影响和要求

?模拟开关的分类（电压和电流开关）

R2R1+VRR1+VRR2-+?V0-+?V0元件性能的影响和要求?模拟开关的分类（电压和电流开关）元件性能的影响和要求

?模拟开关的分类

按切换的对象使用的元件：机械触点式和电子式开关

机械触点式：干簧继电器，水银继电器及机械振子继

电器等。

电子式开关：二极管、双极性晶体管、场效应晶体管、光耦合器件及集成模拟开关等。

元件性能的影响和要求?模拟开关的分类按切换的对元件性能的影响和要求

?模拟开关的性能参数

静态特性：主要指开关导通和断开时输入端与输出端之间的电阻Ron和Roff,此外还有最大开关电压、最大开关电流和驱动功耗等。

动态特性：开关动作延迟时间，包括开关导通延迟时间Ton和开关截止延迟时间Toff,通常Ton>Toff,理想模拟开关时Ton→0，Toff→0

元件性能的影响和要求?模拟开关的性能参数元件性能的影响和要求

?模拟开关的性能参数

为了得到高质量的采样保持电路，场效应模拟开关的速度应快，极间电容，夹断电压或开启电压，导通电阻和反向漏电流等参数都应小。

元件性能的影响和要求?模拟开关的性能参数模拟开关

?增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型）

i

SBDuo

Guc

a)ui

Guc

b)O

o

iuiu

i

DBSuo

Ron

ui

模拟开关?增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型）iS模拟开关

?CMOS开关电路

uGP

Ron

Ron(P)

Ron(N)

+E

ui

-E

uo

Ron(C)

uGN

a)O

o

b)ui

ui

模拟开关?CMOS开关电路uGPRonRon(P集成模拟开关

?CMOS开关电路

V4

uc

DcGu

11

1

ui

V3

+E

V4

V2

+E

V1

V3

uo

V5

1

-E

-DGD2

2

1

图6-6

含辅助电路的CMOS开关电集成模拟开关?CMOS开关电路V4ucDcGu多路模拟开关

+E16

74

62

输入/输出

55

41

312

215

10S1

S2

14

13

AB11

逻10

辑电平转9

换电路8选1译码电路

S3

S4

S5

S6

S7

S8

输出/输入

C

INH6

8

7

-E1

-E2

图6-7

CD4051原理图

多路模拟开关+E167462输入/输出5元件性能的影响和要求

?存储电容

选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容器，如聚苯乙烯，钽电容和聚碳酸脂电容器等。(原因：当电路从采样转到保持，介质的吸附效应会使电容器上的电压下降，被保持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，峰值检波器复位时，电容放电，介质吸附效应会使放电后的电容电压回升，引起小信号峰值的检波误差。电容器的泄漏电阻引起电容上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持精度）

元件性能的影响和要求?存储电容选用介质吸附效应小什么是电容的吸附效应？

?在实际电容器中，电容器介质的偶极子及其界面极化的形成和消失都不可能瞬时实现，往往需要一定的时间，因而使电介质常数随信号频率和环境温度变化，不能似为常数

?实际电容器的仿真模型如右图所示，图中C为理想电容值，R0为电容器的泄漏电阻，其余的阻容网络为则为介质吸附效应的仿真。

1什么是电容的吸附效应？?在实际电容器中，电容器介质的偶极子什么是电容的吸附效应？

?实验分析表明，阻容电路的时间常数相差很大，可从几十毫秒到几十秒。

?（1）T充电时间《MAX(T阻容电路)

切断充电

（2）T充电时间》MAX(T阻容电路)

切断电源将电容器短路，且

T短路时间《（3～5）MAX(T阻容电路)

.1

什么是电容的吸附效应？?实验分析表明，阻容电路的时间常数相总结

从元件方面来看，提高精度的重要措施是

减小各种漏电流和偏置电流，选用介质吸附效应小的电容器，减小开关导通电阻等的影响。提高工作速度的措施是提高开关速度，减小开关极间电容的影响，选用上升速率和输出电流大的运算放大器。

总结从元件方面来看，提高精度的重要措施是减小精度提高的方法（电路）

（1）模拟开关漏电流的旁路

-E

Vui

CUc

RV1

∞

-

+

+

Nuo

精度提高的方法（电路）（1）模拟开关漏电流的旁路-E精度提高的方法（电路）

（2）电容校正方法

Ron2

C1

∞

-

Uc

VD1

V1

∞

-

ui

+

+

N1

R2

R3

V-

VD2

V2

R1

C1

∞

-

ui

+

+

N1

Ron

C

+

+

N2

uo

∞

+

+

N2

C

uo

b)

R1

C1

Ron1

∞

∞

-

ui

+

+

N1

C

-

+

+

N2

uo

精度提高的方法（电路）（2）电容校正方法Ron2C精度提高的方法（电路）

（2）电容校正方法的矛盾

精度

《》

速度

∞

-

ui

+

+

N1

Ron2

C1

∞

-

Ron

C

+

+

N2

uo

b)

精度提高的方法（电路）（2）电容校正方法的矛盾提高速度的方法（电路）

减少反馈回路中的时间常数数目来提高速度

Uc

VD1

V1

VD2

V2

∞

∞

-

ui

+

+

N1

R1

R2

V-

+

+

N2

Cuo

提高速度的方法（电路）减少反馈回路中的时间常数数目来提高速单片集成采样－保持电路

+5V14

13

Uc

12

11

&

10

9

8

uo

模

?/#

拟量输入状态AD582DG∞

#

-

S+

+

N1

-

∞

+

+

N2

AD571

1

2

3

4

5

6

7

ui

偏移调节

C单片集成采样－保持电路+5V1413Uc121总结

?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的和泄漏电阻大的电容。

?运算放大器：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；输入运放还应具有大的输出电流

总结?模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流小，极间电信号转换电路(二)电压比较电路

电压频率转换电路

信号转换电路(二)电压比较电路电压频率转换电路电压比较电路

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，彽输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。

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电压比较电路

一

电平比较电路（单阈值比较器）

（a）差动比较电路

Uo

-1

+1

a)图6-12

电压比较器及其特性

ui

UR

#

Uo

ui<UR

ui>UR

ui

O

UR

b)电压比较电路一电平比较电路（单阈值比较器）电压比较电路

一

电平比较电路

（b）求和比较电路（阈值可变）

R1VR??V

R2

优点：阈值可变

缺点：振零现象

ui

U

+

R

R1

R2

Σ

-

+

Uo

∞

a)

un

UR

ui

Uo

M

N

P

Q

电压比较电路一电平比较电路（b）求和比较电路电压比较电路

二

滞回比较电路（正反馈阈值）

两个阈值：

R

ui

UR

R2

+1

R1

-1

Uo

#

Uo

O

U1

U2

ui

a)b)单方向单阈值

电压比较电路二滞回比较电路（正反馈阈值）电压比较电路

三

窗口比较电路

EUZ

VS

R1

UR1

RP

UR2

R2

ui

-1

+1

N2

#

Uo2

-1

+1

N1

#

Uo1

&Uo

Uo

“1”

?U

O

UR2

UR1

ui“0”

单方向多个阈值

电压比较电路三窗口比较电路EUZV电压频率转换电路

?V/f转换器

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，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

电压频率转换电路?V/f转换器定义：V/f(电压/频电压频率转换电路

?积分复原型

组成：积分器、比较器和积分复原开关等

uC

VR3

C∞

-

+

+

N1

R2

R5

-E

R6

-U

uC

uP

R4

∞

-

+

+

N2

R7

VS1

R8

uo

VS2

VS3

R9

O

U2

uP

uOTU2

uo

O

U1

t

ui

R1

U1

T1

T2

t

t

电压频率转换电路?积分复原型组成：积分器、比较器电压频率转换电路

?电荷平衡型

CFRf－?IfI1D1A1＋usc1＋?usc2A2－-EmD2定时电路usc3Ij-E

电压频率转换电路?电荷平衡型CFRf－?IfI1D1A1电压频率转换电路

?电荷平衡型

If0tusc1Em0－Emtusc20tusc30tIjI10t

电压频率转换电路?电荷平衡型If0tusc1Em0－Em电压频率转换电路

?

集成V/F转换器

电流输出

1CLRL2基准电压

1.9V偏流

-

基准比较+

器

+U

8精

密电流源

输入比较器

QSRS触发器

-

+

R

76域值

Rt

比较输入

电

流开

关

Q基

准电

源

VR定时比较器

-

+

5定时

iS

uo3频率输出

驱动

RS

输出保护

复位

2R

Ct

4电压频率转换电路?集成V/F转换器电流输出1C电压频率转换电路

?集成V/F转换器

+U

RS

82iS

#

S1u6

RL

CL

ui

67-1

输入

比较

+1

器

#

单稳

Q态定

时器

Q

Rt

u5

5Ct

u6

+E

ui

约10mV

O

uo

to

t

V3uo

4OT

t

b)电压频率转换电路?集成V/F转换器+URS8f/V转换电路

?通用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

+E

-E

∞

-

+

+

N1

C1u1R1

R2+ER11ui

VD1

VD2

-E

VD3uNuP-

∞

VD4+

+

N2

V2R9V1u2UmR12-

C2VS∞

+

+

N3

R5R7R4=100R3R3+E

R

CR6R89R10f/V转换电路?通用f/V转换电路包括三个部分：f/V转换电路

u

i

U

m

0V

u

2

（扩展）

T

w

0V

u

1

U

H

0V

u

N

0V

U

L

u

2

U

Z

0V

U

H

u

P

E

R

+

R6

R6

f/V转换电路uiUm0Vu2（单稳态触发器的工作特点：

①具有一个稳态和一个暂稳态两种工作状态。

②

在外加触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态。在暂稳态维持一定时间后，再自动返回稳态。

③

暂稳态维持时间的长短取决于电路的参数。

单稳态触发器的工作特点：①具有一个稳态和一个暂稳态两种工单稳态触发器的应用

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。

1.脉冲整形：对于幅度和宽度都不规则的脉冲信号，只要这些脉冲的幅度都大于单稳态触发器的触发电平，则经过单稳态触发器可以将不规则的脉冲波形变成幅度和宽度都相同的脉冲波形。

2.用于定时：利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高、低电平去控制某个电路定时工作。

3.用于延时

单稳态触发器的应用单稳态触发器是一种脉冲整形电路，多用于脉利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高电平去控制与门的开

利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高电平去控制与门的开

3.延时：在一个脉冲信号到达后，延迟一段时间再产生一个脉冲，以控制两个相继进行的操作。

延时

脉冲形成

3.延时：在一个脉冲信号到达后，延迟一段时间再产生一个f/V转换电路

集成f/V转换器

8+U

3-

+

R

U-

52R

-

+

定时比较器

输入比较器

2U1

S

RSQR

触发器

QU2

V

iS

RS

Rd

Cd

U7

R2

R1

6u6

7ui

稳态：Q=0Rt

暂稳态：Q=1u5

暂稳态持续时间Ct

由Rt,Ct充电时间

决定。

＃

S1RLiS暂稳态时，

IS对RL,CL充电

uo

CL

4图6-20

LM131用作f/V转换电路原理图

f/V转换电路集成f/V转换器8+U3-+R信号转换电路

模拟数字转换电路

信号转换电路模拟数字转换电路AD转换电路和DA转换电路的基础

理解定义和内容

1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，这样能分别的电压范围叫做分辨率。通常用LSB（LeastSignificantBit)表示。

AD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容1分辨率AD转换电路和DA转换电路的基础

理解定义和内容

2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。

AD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容2量化和AD转换电路和DA转换电路的基础

理解定义和内容

2量化和量化误差：

f(t)76543210Ot

F1

F2

F6

F7F8

F3

F4

F5

f1(t)76543210F1'F2'F6'F7'F3'F4'F5'F8'对应编码

011101111111b)110100011101t

a)AD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容2量化和AD转换电路和DA转换电路的基础

理解定义和内容

3精度：理想的ADC是指不含量化误差以外的误差，但实际上由于使用的元件和噪声等产生各种误差。精度是表示所含误差的比例，用刻度的百分比或PPM表示。精度分为绝对精度和相对精度。

AD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容3精度：AD转换器

UiUR-URCA/D转换器的基本原理

1双积分式A/D转换器

电子开关

R-

∞

+

+

NUC-1

+1

#

计数器

数据输出

UC

Ui1

Ui2

控制逻辑

标准时钟

O

T1

T2'T2''t

b)AD转换器UiUR-URCA/D转换器的基本原理AD转换器

A/D转换器的基本原理

2逐次逼进式A/D转换器

US

Ui

比较器

D/A转换器

输出缓冲器Dn-1

…

启动

逻辑控制

电

路

逐次逼近

寄

存

器

转换结束

输出允许

D0

时钟

AD转换器A/D转换器的基本原理2逐次逼进式A/D转换AD转换器

A/D转换器的基本原理

3并行比较式A/D转换器

+1

3UR/4#

-1

N3d1

1Ui

UR/2+1

-1

N2#

&≥1d0

+1

UR/4#

-1

N1AD转换器A/D转换器的基本原理3并行比较式A/D转换AD转换器

集成A/D转换器ADC0809

IN7

8路模拟量输入

启动STARTCLK

8路

模拟

开关

控制逻辑与时序

三态输

出锁存

缓冲器

D0EOC转换结束

8位数据输出

3位

ADDA

地址ADDB

线

ADDC

地址锁ALE

存允许

WRIN0

-1+1#

SAR…

地址

锁存

与

译码

D7开关树

UCCGNDREF(+)REF(-)OE输出允许

a)AD转换器集成A/D转换器ADC0809IN78路模AD转换器

集成A/D转换器ADC0809

ADC0809

P0.7

D7

?/#STARTALE≥1…P0.2

P0.1

P0.0

…RDP2.7

…D0

ADDCADDBADDAui7

…ui0

…≥1IN7

OE1WREOC四分频

INT0ALE+5VCL