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1、第4章集成变换器及其应用,4.1阻抗变换器,4.2U/I变换器和I/U变换器,4.3U/F变换器和F/U变换器,4.4精密T/I和T/U变换器,4.5D/A变换器,4.6A/D变换器,4.1阻抗变换器,负阻抗变换器,阻抗模拟变换器,模拟电感器,4.1.1 负阻抗变换器,（1）若去掉电阻R1,（2）若接入电阻R1,则：,右图只适用于信号源内阻小于的情况,即：,若：,应将右图同相端和反相端位置互换,（）若,（）若,负电阻变换器,等效模拟电感，其中,对于右图：,4.1. 阻抗模拟变换器,电路如下所示：,4.1. 阻抗模拟变换器,的输出：,的输出：,：同相放大器,为阻抗变换器,则：,输入电流为：,等效
2、输入阻抗：,可构成不同性质的阻抗模拟电路,、模拟对地电感,在中,取：1、2、3、5为电阻，4为4和C4并联，,则等效阻抗为：,其等效内阻和等效电感为：,、模拟对地电容,在中,取：1、2、5为电阻，为电容C，,则等效阻抗为：,其等效电容为：,、模拟对地负阻抗,在中,取：1、3为电容C1、C3，2、Z4为电阻R2、R4，Z5为任一阻抗,则等效阻抗为：,为一负阻抗变换器,4.1. 模拟电感器,电路如下所示：,4.1. 模拟电感器,等效输入阻抗为：,当远大于时：,其中等效电感值为：,4.1. 电容倍增器,、由反相放大器组成的 电容倍增器,、由反相放大器组成的 电容倍增器,等效输入阻抗为：,电阻和电容的
3、并联,、可变电容倍增器,电位器调节电容的倍增系数,1组成的时跟随器，起缓冲作用,、可变电容倍增器,其输入阻抗：,其等效电容为：,调整电位器可改变电容容量,4.2U/I变换器和I/U变换器,4.2.1 接地负载的U/I变换器,1、由两个运放构成的U/I变换器,A1为同相加法器,A2为跟随器,由电路可知,则:,同时:,则,为了让IL 和RL无关 , 必须使,既 :,或,为简化分析取 R3=R1,R4=R2 则:,1、由一个运放构成的U/I变换器,由电路可知,则:,而,则:,由 得,为了让IL 和RL无关 , 必须使,则:,若取,则:,说明IL与Ui成正比 , 实现了线性变换,4.2.2 精密U/I
4、变换器,以XTR110为例,XTR110可完成电压到电流的变换,1、XTR110 的性能特点,2、XTR110 的内部结构,反馈端,反馈电阻,公共端,调零,量程调解,量程控制,基准电压输入,4、5脚完成信号输入,输出端,基准调解,12、15基准电路反馈、耦合（接一起）,2.XTR110的内部结构,图4-2-3 XTR110的内部结构图,图4-2-4 XTR110的基本接法,3.XTR110的基本接法,Figure 1 shows the basic connections required for 0 to 10V input and 4 to 20mA output. Other input
5、 voltage and output current ranges require changes in connections of pins 3, 4, 5,9 and 10 as shown in the table of Figure 1(P113表4-2-1).The complete transfer function of the XTR110 is:.,APPLICATIONS INFORMATION,The internal op amp A1 can be damaged if its non-invertinginput (an internal node) is pu
6、lled more than 0.5V below common (0V). This could occur if input pins 3, 4 or 5 were driven with an op amp whose output could swing negative under abnormal conditions,内部第二级负载接地的U-I转换器,内部第一级运放为同相加法器,因为虚短:,表4-2-1 输入/输出与引脚关系,图4-2-5 010V输入，200mA大电流输出变换电路,4.XTR110的应用,For spans beyond 40mA, the internal 5
7、0W resistor (R9) maybe replaced by an external resistor connected between pins13 and 16.,Its value can be calculated as follows:,REXT = R9 (Span OLD/SpanNEW),上图中,因为虚短:,即:,其中:Re=(1562.5+402)/5K2K/5K=(10/7)K=1.43K,IO 625/1430=0.437A,而Ui1=0时IO=0，故010V输入得到00.4A输出。,可见，通过调节精密电位器RP2、RP3增大Re,总可使IO降低到400mA，电
8、流方向向下;,为保证精度，避免源内阻的影响，输入经缓冲器A1进入XTR110的Ui1端，Ui2接地=0，接地的缓冲调零器A2使UR=0，这样当Ui1=0时IO=0。因A3的U-= U+=0，故IR3=(VF-0)/20K=10V/20K=0.5mA，则UR4=0.5mA*2K=1V。据虚短，UR2=UR4=1V，IR2=1V/5=0.2A，于是A4、R2构成0.2A的恒流源，电流方向向下，可将由XTR110组成的0400mA电流源下拉200mA。Iout=IO-IR2=0-0.2A=-200mA；当Ui110V时Iout=IO-IR2=0.4A-0.2A=200mA为保证精度，R1、R2应选0
9、.5W低温度系数金属膜电阻，VT1VT3可选功率较大的MOS管。,转移电导特性曲线,输出端的负载电流：,电流-电压变换电路,电流电压变换电路：,4.2.3 精密I/U变换器,以RCV420为例,RCV420可完成电流到电压的变换,1、 RCV420的性能特点,（1）4-20mA的电流输入，0-5V的电压输出,（2）具有精密10V电压基准,（3）具有40V共模电压输入范围,（4） 总的变换误差小于0.1%,（5）具有86dB的噪声干扰能力,2、RCV420 的内部结构,包括精密集成运放/电阻网络/10V基准,1、3脚完成信号输入,公共抽头,13脚:器件公共端,5脚:基准参考端,基准调整端,噪声抑
10、制端,基准电路反馈,基准电压输出,变换电压输出,变换电路反馈,基准电压输入,3、RCV420 的基本接法,输入端电压：Ui,15、12脚节点处电压：Uc,同时利用虚短性质,则：,4、RCV420的应用,利用XTR101 及RCV420 可构成远距离测温系统,首先利用XTR101 将温度变化变换成4-20mA的电流输出；,为了能和单片机、智能仪表连接，,再用RCV420将电流信号变换为电压信号,电路如图4-2-9所示,4-20mA的电流输入，0-5V的电压输出,4. 3 U/F变换器和F/U变换器,U/F：输出信号频率正比于输入信号电压的电路；,F/U：输出信号电压正比于输入信号频率的电路；,电
11、压模拟量经U/F变换成频率信号后，其干扰能力大为增强，非常适合远距离传输、遥控系统、干扰较大等方面,可分为单片式和模块式；,单片式可逆，即可作U/F变换也可作F/U变换；,模块式不可逆,下图为电荷平衡式电压-频率变换电路，图中电阻RIN、电容C1、运算放大器A1组成积分电路，运放A2为比较器，功率三极管T工作于导通、截止状态，起电子模拟开关作用。,电荷平衡式变换电路,电荷平衡式电压-频率变换电路及波形图,当U in不变时，图中模拟开关K断开，输入电压对电容C1恒流IIN充电，积分器输出电压U1线性下降。,当Uin不变时，图中模拟开关K断开，输入电压对电容C1恒流IIN充电，积分器输出电压U1线
12、性下降。当U1下降到下限电平Um时，比较器A2发生跳变，触发单稳态定时器，使其产生一个脉宽为t1的脉冲，此脉冲使开关K导通，积分电容C1恒流IR-IIN放电，输出电压U1线性上升，当t1脉冲结束时，开关K重新断开，放电停止，输入电压重新对C1充电,t1期间放电量,此后，输入电压UIN又开始对电容C1充电，K断开的t2期间电容C1充电量为:,由于Q1=Q2即,对应的输出电压UO频率为,可见，当恒流源IR、定时时间t1精度高时,输出频率可与输入电流保持严格的比例关系。,Q2=t2*IIN,VFC100同步型U/F、F/U变换器是通过外时钟频率获得精密积分周期，实现U/F变换。,4.3.1 VFC1
13、00同步型U/F、F/U变换器,图4-3-1 VFC100引脚排列图,1. 引脚及其功能,1脚：V+ ，为正电源端。2脚、3脚：NC，为空脚。4脚：IOUT，为内部积分输出端，一般与5脚之间接入积分电容。5脚：CINT,为积分负输入端，接积分电容。 6脚、7脚：IN+、Ui ，为积分同相输入与模拟电压输入端。8脚：V，为负电源端。9脚：Cos ，输出单稳电容端。10脚：CLK，同步时钟输入端。,11脚：f0 ，U/F变换频率输出端。,图4-3-1 VFC100引脚排列图,12脚：DGND，为数字地。,13脚：AGND，为模拟地。,14脚、15脚：-CIN、+CIN，内部比较器输入端。,16脚：
14、VREF，为内部5V参考电压输出端。,2. 性能特点,满量程频率输出可通过外时钟设置。,在精密满10V电压输入时,增益误差不超过0.5。,内设精密5V参考电源。,极好的线性，在100kHz时，最大误差不超过 0.02，在1MHz时，不超过0.1。,具有低的增益漂移：不超过5010-6 /C 。,图4-3-2 VFC100的内部结构图及U/F变换基本接法(开关接错，应接至反相端),3.内部结构与基本接法,3、内部结构,基本接法,4、双极性输入与调整,5、F/U变换器,4.3.2 LMx31系列U/F，F/U变换器,性能特点：,最大线形度：0.01%,双电源或单电源工作,脉冲输出与所有逻辑形式兼容
15、,功耗小,频率范围为： 1Hz-100KHz,在某一段时间内，其充电电荷平均值为,其放电电荷平均值为,利用,其中,一、问题的提出 当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连接变化的物理量（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件（如声卡播放音乐等）。A/D转换器完成模拟量数定量的转换，D/A转换器完成数字量模拟量的转换。,二、模拟接口定义：A/D D/A转换器可视作一外部设备功能： 将微机系统的离散的数字信号和设备中
16、连续变化的模拟量两者建立适配关系，使CPU能进行 控制与监测。,三、模拟输入输出系统,传感器将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）,放大器把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围,低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比,多路开关把多个现场信号分时地接通到A/D转换器,采样保持器周期性地采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变,一、D/A变换器的基本构成,模拟开关 电阻网络 运算放大器,权电阻网络R-2R梯形电阻网络,Vref,Rf,模拟开关电阻网络,VO,数字量,二、基本变换原理,运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压Vin的关系为：,Vin,Rf,
17、VO,R,若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：,Vin,Rf,VO,R1,Rn,令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准电压Vref，则有,如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为,若Si=1,该项对VO有贡献；若Si=0,该项对VO无贡献,权电阻网络,2R4R8R16R32R64R128R256R,Vref,Rf,VO,S1S2S3S4S5S6S7S8,这里，上式中的n=8,如果用8位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，则不同的二进制代码就对应不同输出电压VO；当代码在
18、0FFH之间变化时，VO相应地在0-(255/256)Vref之间变化；为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。,R-2R 网络型D/A转换器,虚地,对地电阻为2R,与权电阻网络相比，R-2R电阻网络中只有R、2R两种阻值，从而克服了权电阻网络阻值多、阻值差别大的缺点。,主要技术指标,1、分辨率（Resolution） 输入的二进制数每1个最低有效位 (LSB)使输出变化的程度。分辨率的表示有两种： 最小输出电压与最大输出电压之比 用输入端待进行转换的二进制数的位数来表示， 位数越多，分辨率越高。 分辨率的表示式为： 分辨
19、率=Vref/2位数或 分辨率=（V+ref+V-ref)/2位数 若Vref=5V，8位的D/A转换器分辨率为5/256=20mV。,分辨率举例,一个满量程为5V的10位D/A变换器，1 LSB的变化将使输出变化 5/210 = 5/1024 = 0.00488V = 4.88mV（LSB-Least Significant Bit）,2、转换精度（误差）,实际输出值与理论值之间的最大偏差可用最小量化阶来度量： =1/2 LSB也可用满量程的百分比来度量： 如0.05% FSR(FSR-Full Scale Range),3、转换时间,从开始转换到与满量程值相差1/2 LSB所对应的模拟量所
20、需要的时间,t,V,1/2 LSB,tC,VFULL,4、线性度 当数字量变化时，D/A转换器输出的模拟量按比例变化的程度。 线性误差 模拟量输出值与理想输出值之间偏离的最大值。,DAC（数字模拟变换集成电路）是系统或设备中的一个功能器件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输入输出有不同的要求， DAC的输入输出特性一般考虑以下几方面：（1）输入缓冲能力：DAC的输入缓冲能力是非常重要的，具有缓冲能力（数据寄存器）的DAC芯片可直接与CPU或系统总线相连，否则必须添加锁存器。,DAC的输入输出特性：,（2）输入码制：DAC输入有二进制和BCD码两种，对于单极性DAC可接收二进制和BCD码；双
21、极性DAC接收偏移二进制或补码。（3）输出类型：DAC输出有电流型和电压型两种，用户可根据需要选择，也可进行电流电压转换。（4）输出极性：DAC有单极性和双极性两种，如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性DAC芯片。,DAC0832 （1）DAC0832的性能参数 DAC0832是一片典型的8位DAC芯片 分辨率：8位 电流型：内部有2级缓冲器 转换时间：1mS 功耗：20mW,（2）DAC0832引脚和内部结构如图所示。,DAC0832的内部结构,LE2,LE1,Rfb,AGND,DAC0832,Vcc,ILE,VREF,输入寄存器,DGND,DI0DI7,D/A转换器,DAC寄存器,Io
22、ut2,Iout1,2.DAC0832的数字接口,8位数字输入端DI0DI7（DI0为最低位）输入寄存器（第1级锁存）的控制端ILE、CS*、WR1*DAC寄存器（第2级锁存）的控制端XFER*、WR2*,两级缓冲寄存器都是直通锁存器LE1，直通（输出等于输入）LE0，锁存（输出保持不变）,LE2,LE1,DAC0832,输入寄存器,DI0DI7,D/A转换器,DAC寄存器,Iout1,直通锁存器的工作方式,LE2,LE1,DAC0832,输入寄存器,DI0DI7,D/A转换器,DAC寄存器,Iout1,DAC0832的工作方式：直通方式,LE1LE21,输入的数字数据直接进入D/A转换器,L
23、E11，或者LE21两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）,LE2,LE1,DAC0832,输入寄存器,DI0DI7,D/A转换器,DAC寄存器,Iout1,DAC0832的工作方式：单缓冲方式,LE2,LE1,DAC0832,输入寄存器,DI0DI7,D/A转换器,DAC寄存器,Iout1,DAC0832的工作方式：双缓冲方式,两个寄存器都处于受控（缓冲）状态,能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据,优点：数据接收与D/A转换可异步进行,可实现多个DAC同步转换输出分时写入、同步转换,Iout1、Iout2电流输出端Rfb反馈电阻引出端（电阻在芯片内）
24、VREF参考电压输入端10V10VAGND模拟信号地VCC电源电压输入端5V15VDGND数字信号地,DAC0832的模拟输出,VoutIout1Rfb（D/28）VREF,Rfb,Iout2,Iout1,Vout,+,_,AGND,A,DI,VREF,单极性电压输出,设 VREF5VDFFH255时，最大输出电压：Vmax（255/256）5V4.98VD00H时，最小输出电压：Vmin（0/256）5V0VD01H时，一个最低有效位（LSB）电压：VLSB（1/256）5V0.02V,Vout（D/2n）VREF,单极性电压输出：例子,R1（R）,R3（2R）,R2（2R）,Rfb,Iou
25、t2,Iout1,AGND,DI,VREF,Vout1,+,_,A1,Vout2,+,_,A2,双极性电压输出：电路,取 R2R32R1得 Vout2（2Vout1VREF）因 Vout1（D/28）VREF故 Vout2（D27）/27）VREF,双极性电压输出：公式,双极性电压输出：例子,设 VREF5VDFFH255时，最大输出电压：Vmax（255128）/1285V4.96VD00H时，最小输出电压：Vmin（0128）/1285V5VD81H129时，一个最低有效位电压：VLSB（129128/1285V0.04V,Vout（D27）/27）VREF,Rfb,Iout2,Iout1
26、,Vout,+,_,AGND,调零电位器,调满刻度电位器,电源,5V,A,DI,10K,1M,1K,VREF,输出精度的调整,4.6 A/D转换器,一、A/D转换器的关键部件比较器,A/D转换的过程就是用模拟量A与参考量R比较的过程，因此，电压比较器就成了A/D转换器中重要部件。,比较器的输出为,0,1,模拟信号,4.6 A/D转换器,二、取样保持电路,所谓取样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量。,根据取样定理，每经过一定时间间隔TS取出信号的一个值，只要TS （fm为信号频带中的最高频率），这些取样值就可以无损失地表达原模拟信号。,7654321,1TS,2TS,取样信
27、号,3TS,4TS,5TS,6TS,7TS,8TS,4.6 A/D转换器,二、取样保持电路,由于对模拟量进行量化的过程需要一定的时间，所以为保证转换精度，在转换（即量化）时间内应使取样点的函数值保持不变。,这种暂时保持由瞬时取样得到的模拟信号的电路，就是取样保持电路。右图是一种常用的取样保持电路。,+ -,1,0,在取样脉冲S（t）持续时间tw内 ，T导通。输入信号uI经开关T对电容C进行充电。只要充电时间常数远小于取样信号S（t）的持续时间tw，则输出信号uO就能跟踪输入信号uI的变化。,当取样脉冲结束，即在TS-tw时间内，场效应管T关断，因而电容器上电压uC无泄放回路，保持不变，则uO=
28、-uC也保持不变。,LSB,第三节 A/D转换器,三、并行比较型A/D转换器,假定被转换的模拟输入电压uI在0UREF范围内变化。取3位二进制数代表模拟输入uI的数字输出。,采用有舍有入的量化方式，利用电阻分压把标准电压UREF分成8段（量化阶梯），位数越多，精度越高。,二进制数输出,其中6段间隔为(1/7)UREF，另外两段间隔（最初和最末）为(1/14)UREF。因此，输入模拟电压从0到UREF整个范围内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不会超过(1/14) UREF。,001是在(1/7)UREF时的值。在(1/14)UREF，(3/14)UREF之间的值和(1/7)UREF最多相差(
29、1/14)UREF ，因此，最大量化误差不会超过(1/14) UREF。,R8,R1,参考电压,模拟输入电压uI,UREF,例：当 ， 求输出的数字量。,0000011,0010100,1,0,1,1,0,由于各个比较器的工作过程几乎是同时的，所以并行比较型A/D转换器的转换速率在所有A/D转换方案中是最高的。 但需要使用大量的比较器。,4.6.1 A/D转换器基础知识,1、逐次比较型A/D转换器,0,4V,3.5V,4.9V,0,逐次比较型ADC工作原理也可用天平测量质量来比照。,例：uI(t)=4.9V,G3 G2 G1,Rd,Q3 Q2 Q1,G4G5G6,D2D1D0,3位码D/AC电
30、路,000,6V,5.5V,0,A/D转换器,1、逐次比较型A/D转换器,第二个时钟脉冲到来时。,1,000,1,第三个时钟脉冲到来时。,0,第五个时钟脉冲到来时。,101,5V,4.5V,G4、G5、G6门开，Q3、Q2、Q1数据传出。,A/D转换器,2、双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器就是先把电压转换成中间量时间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。,0,1,- +,1,有效,1,A/D转换器,0,- +,正电压UREF向电容C充电，电容两端电压不能突变，使得uo1电压逐步下降，但还是正值， uo2为负值。,非门输出维持不变，还是高电平，使得CP信号继续有效， 计数器继
31、续计数。,当输出D为100时，uo1小于零，使得uo2信号翻转为高电平。,此时非门输出为0，关断CP信号，寄存器输出可以作为数字量输出。,0,无效,(式7.3.2),A/D转换器,双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器在开始一定时间内，积分器A1以输入电压uI为被积函数进行积分，然后以与输入电压uI极性相反的参考电压为被积函数进行积分，再对积分输出电压进行过零比较。,斜率,t2,D的正向电压,（ t0tt1，uI0 ）,式中：T1= t1 - t0, t0 = 0, uI0。,（t = t2）,(式7.3.4),A/D转换器,=,双积分型A/D转换器,将式（7.3.2）代入式（7.3.4）得,3、A/D转换器的主要技术指标,分辨率：A/D转换器的二进制位数。,量程:,所转换的电压范围,转换精度：,转换时间：,完成一次转换所用的时间。,docin/sanshengshiyuandoc88/sanshenglu,更多精品资源请访问,
