测控电路（第7版）课件：信号转换电路

信号转换电路7.1模拟开关7.2采样保持电路7.3电压比较电路7.4电压频率转换电路7.5电压电流转换电路7.6模拟数字转换电路本章知识点通过常用器件构成的转换电路的工作原理以常用的集成转换器件介绍其基本应用转换电路的性能参数或误差源分析信号转换电路信号转换电路用于将各类型的信号进行相互转换，使具有不同输入、输出的器件与电路可以联用。在进行信号转换时，需要考虑以下两个问题：①转换电路应具有所需特性；②要求信号转换电路具有一定的输入阻抗和输出阻抗以与之相联的器件或电路阻抗匹配。7.1模拟开关7.1.1模拟开关及其主要参数7.1.2增强型MOSFET开关电路7.1.3模拟开关误差源分析7.1.3集成模拟开关7.1.4模拟多路开关电路模拟开关是在电路中用于实现模拟信号通与断的电子开关器件，它的作用类似于机械式转换开关，信号电流从输入端流到输出端，其信号传送方向可以是双向的.模拟开关通常有三个端子：控制端C、信号输入端I及输出端O。I/O可以互换的为“双向开关”。常用的模拟开关元件包括二极管开关、双极型晶体管开关、结型场效应晶体管（JFET）开关、MOS型场效应晶体管（MOSFET）开关等7.1模拟开关7.1.1 模拟开关及其主要参数导通电阻Ron是指开关闭合时所呈现的电阻截止电阻Roff是指开关关断时所呈现的电阻，它主要由于漏电所致；电荷注入是指与构成模拟开关的NMOS和PMOS管相伴的杂散电容引起的一种电荷变化，是开关过程中模拟开关的寄生电容失配及其对输出信号完整性影响的函数；延迟时间是指控制信号改变时对应产生的输出延迟时间，包括开关导通延迟时间和开关截止延迟时间，由模拟开关的寄生电容所致。7.1.2增强型MOSFET开关电路N沟道增强型MOSFET开关电路N沟道管导通的条件缺点：Ron随ui增大而增大CMOS开关电路P沟道增强型MOSFET的衬底接+E，外加栅极控制电压与N沟道增强型MOSFET相反，当控制电压uGN=+E、uGP=-E时，二管均导通；当uGN=-E、uGP=+E时，二管均截止。7.1.2增强型MOSFET开关电路7.1.3模拟开关误差源分析实际的模拟开关存在导通电阻Ron、漏电流ILKG、结电容CS、CDS和CD等多种误差源，会影响其直流和交流性能。1、CMOS开关直流特性在开关导通状态下，受导通电阻和漏电流的影响，漏电流流过Ron+RG和RL的并联等效电阻，输出电压为：在开关关断状态下，漏电流流过负载电阻，产生一个电压：uo=ILKG×RL。2、CMOS开关交流特性在导通状态下，该电路的传递函数为：开关的极点影响电路的带宽，为了使带宽最大化，开关应具有低输入电容、低输出电容和低导通电阻。在关断状态下CDS会把输入信号耦合至输出端，导致开关隔离性能劣化，关断隔离度随输入频率增大而下降。就此误差源而言，解决方法是选择CDS尽量小的开关。构成CMOS开关的P沟道和N沟道的栅漏分布电容的失配，形成所谓的等效栅漏电容CQCMOS开关的控制端在开、关控制期间对栅漏极电容CQ注入电荷，这将导致输出电压的阶跃变化，其大小与CQ和负载电容CL有关。2、CMOS开关交流特性7.1.4集成模拟开关C544、CD4066均为单片集成CMOS四模拟开关电路7.1.5模拟多路开关电路7.2采样保持电路7.2.1基本原理7.2.2单片集成采样保持电路7.2.1基本原理采样保持电路的基本组成：模拟开关模拟信号存储电容缓冲放大器

uoa）S/H电路原理b）模拟信号采样tTs∞-++N1∞-++uiSUCCtuof(t)OOui,uoUC7.2.2单片集成采样保持电路采样保持电路的主要性能指标捕捉时间TAC：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。TAC大则跟踪性能差。孔径时间TAP：指从发出保持指令的时刻起，到开关真正断开所需的时间。TAP大则电路保持性能差。孔径误差：实际保持值与期望值存在的差异。7.3电压比较电路7.3.1电平比较器7.3.2电压比较器特性指标 7.3.3滞回比较电路 7.3.4窗口比较电路7.3.5多阈值比较器阈值电压：输出电压从一个电平跳变到另一个电平所对应的输入电压值，用UT表示比较器分类单限比较器：只有一个阈值电压若阈值电压为0则称为过零比较器滞回比较器7.3电压比较电路电压比较器是一种电压-开关信号转换器。输出电压翻转7.3.1电平比较器单限比较器:运放处于开环状态，没有负反馈，uN不能跟随uP变化阈值电压：输出电压翻转求和比较电路：阈值可变阈值电压不仅与UR有关，而且与电阻R1与R2的比值有关，这给阈值电压的选择带来灵活性。∞-++uiUoURR1R2RΣ7.3.1电平比较器输出钳位：输出所要求的逻辑电平双向稳压管用于输出钳位7.3.1电平比较器输出钳位：输出所要求的逻辑电平双向稳压管用于输出钳位二极管实现钳位7.3.1电平比较器7.3.2电压比较器特性指标响应时间：反映了电压比较器响应的速率，定义在输入加一阶跃信号输出完成输出转换的50%所需要的时间（tPD）直流参数对门限电平的影响电压比较器的失调电压和偏置电流会使得输入门限电平发生偏移Δu=Uos+INRN–IPRP简单比较器应用中存在的问题输出电压转换时间受运放的限制，使高频脉冲的边缘不够陡峭抗干扰能力差。在比较门限处，输出将产生多次跳变7.3.3滞回比较器从电路的输出端至运算放大器同相输入端之间引入一个正反馈，构成迟滞比较器7.3.3滞回比较器a)电路原理图b)传输特性uiuoU1OU2-1+1#uiuoURRR1R2阈值电压为：a)电路原理图-1+1#uiuoURRR1R2两个阈值7.3.4窗口比较器双阈值比较器7.3.5多阈值比较器7.4电压频率转换电路7.4.1V/f转换器7.4.2f/V转换器7.4.1V/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7.4.1V/f转换电路ui越高uC越快达到uP电平，比较器翻转越快V∞-++N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比较器复原开关∞-++N1R2uiR1C积分器积分复原型电荷平衡型uouot1tuCtOOt0∞-++N1∞-++N2SuiRIS单稳定时器uCiURC（1）线性好；（2）易于集成7.4.1V/f转换电路7.4.2f/V转换电路集成f/V转换器

RS

触发器-+输入比较器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U-+定时比较器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U-U7S1S1V1QQ7.5电压电流转换电路7.5.1电流/电压转换电路7.5.2电压/电流转换电路7.5.1电流/电压转换电路电流－电压变换器（CVC）又称为跨阻放大器（TransimpedanceAmplifiers，TIA）用来将电流信号变换为成正比的电压信号。可作为微电流测量装置来测量漏电流；在使用光敏电阻、光电池等恒电流传感器的场合，是一个常见的光检测电路；理想的V/I转换：7.5.1电流/电压转换电路反相输入型：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，通常IB的数值应比被测电流is低1～2个数量级以上R1∞-++NuoR2Rsisi7.5.1电流/电压转换电路同相输入型R2∞-++NuoR1R3R4iui为减小运放偏置电流的误差由于采用同相端输入，电路中应选用共模抑制比较高的运放对微弱电流的反相输入型反馈电阻要选用高值电阻：如输入电流为10nA、转换为1V电压时，RF=100MΩ，如此大的电阻很难满足对其稳定性和高精度的要求。解决办法：T形网络电路替换反馈电阻7.5.1电流/电压转换电路取R1=1M

，R2=1k

，R3=99k

，就可近似于RF=100MΩ的效果。V/I转换器的作用是将电压转换为电流信号，它不仅要求输出电流与输入电压具有线性关系，而且要求输出电流随