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1、第6章 信号转换电路,计量测试工程学 朱维斌,计量测试工程学院 朱维斌,6.1 模拟开关,从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：从自然界物理量到电量的转换电量之间的转换从电量到物理量的转换,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。,它是构成S/H电路关键器件之一。,控制电路,模拟开关,机械触点式,干簧继电器,水银继电器,机械振子式继电器,电子式,二极管,双极型晶体管,场效应管（JFET、MOSFET）,集成模拟开关,主要是MOSFET构成的模拟开关,计量测试工程学院 朱维斌,（一）增强型MOSFET构成的模拟开关,1、N沟
2、道增强型MOSFET开关电路,N沟道MOSFET的Ronui特性曲线,uiucuT时，所以uc加高电平时，开关导通。输出电阻Ron随ui的变化见上图,如果栅极G uc为低电平时，开关不导通，相当于断路，截止电阻1013。,工作条件 uGS uT0，uT为开启电压。,uGS=uc ui,计量测试工程学院 朱维斌,2.CMOS开关电路,o,R,on,R,on,(C),R,on,(N),R,on,(P),u,i,a),b),uGN为高电平，uGP为低电平，二管导通，反之 uGN为低电平，uGP为高电平，二管截止。N、P沟道的曲线变化互补，所以等效电阻特别平坦，好。,计量测试工程学院 朱维斌,4066
3、管脚信息,（二）多路模拟开关,逻辑电平转换电路,图6-5 CD4051原理图,组成：译码器+多路双向模拟开关,3.集成模拟开关,例：CD4066 四双向模拟开关,计量测试工程学院 朱维斌,6.2 采样保持电路,采样保持电路是把不断变化的模拟信号，在某一瞬间的值保持下来。,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。,一、基本原理,采样保持电路的基本组成：模拟开关 模拟信
4、号存储电容 输入、输出缓冲放大器,S接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶段，S断开时，电容C两端一直保持断开前的电压，称保持阶段。,计量测试工程学院 朱维斌,实际电路见下图：,uc为高电平，开关S接通，采样阶段,uc为低电平，开关S断开，保持阶段,采样时间间隔Ts愈短，波形愈准确。,计量测试工程学院 朱维斌,二、采样定理,采样定义：依据采样定理按照一定的时间间隔从连续的模拟信号中抽取一系列的时间离散样值。,采样频率：,模拟信号最大频率为fmax,fs2fmax,在实际工作中，fs10fmax，我们原来的波形才不失真。,在频域里面看看采样定理：,a）图为输入信号的频谱,采样后所获得的信号是模拟
5、信号f(t)与采样脉冲fs(t)相乘的结果，同时周期性采样脉冲fs(t)可以用傅立叶级数来表示。,频谱图为左b)图,计量测试工程学院 朱维斌,c)S/H电路输出信号频谱,得到频谱c）图,在上图中，假如要不失真，那就是频谱图不能重叠。,fsfmin,fsfmin,fsfmaxfmax,得：fs 2fmax,三、单片集成采样保持电路,前面所讲为最基本的采样/保持电路。,但是我们知道开关就算断开以后，也有漏电流存在，所以我们需要高精度的采样/保持电路,计量测试工程学院 朱维斌,U,c,-,+,+,N,R,-,E,V,1,u,i,C,u,o,V,高精度S/H电路,V为主开关，V1为隔离开关。,uc为高
6、电平时，V和V1导通，C上电压=ui，uo=ui。,uc为低电平时，V和V1断开，C上电压保持最后状态不变，保持阶段。,V假如有漏电流，那流过R。,I1很小，所以u1很小，,同时u2为运放失调电压，也很小，,在这种情况下，V1的漏电流大大减小,从而大大提高了存储电容的精度,计量测试工程学院 朱维斌,单片集成采样保持器：AD571,计量测试工程学院 朱维斌,6.3 电压比较电路,uiuR uo=0uiuR uo=1,一般运放工作在开环状态下，就是电压比较器。,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
7、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。,常用集成电压比较器：MAX475，LM139，LM111，LM119等等,计量测试工程学院 朱维斌,最常用的就是电平检测,参考电压,输入电压,输出,把正弦波变成方波，整形等等常用方波,计量测试工程学院 朱维斌,a)求和型比较电路,-,+,+,u,i,U
8、,o,U,R,1,R,2,R,优点：阈值可变 缺点：振零现象,为了克服振零现象，可采用滞回比较电路。,遏制共模误差,计量测试工程学院 朱维斌,两个门限电压：,滞后电平：,可见，滞后电压可用R1或R2来调节，合理选择其大小，使之稍大于预计的干扰信号，就可消除上述“振铃”现象。,计量测试工程学院 朱维斌,6.4 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
9、换系数，非线性误差，灵敏度误差和温度系数等,反之：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。,计量测试工程学院 朱维斌,6.5 电压电流转换电路,要求I/V转换器有低的输入阻抗及输出阻抗，而V/I转换器有高的输入阻抗及输出阻抗。,一、I/V转换器,ri,is为电流源，Rs为电流源内阻。理想状态下，Rs应很大。iF=isiBis也即输入电流is全部流过反馈电阻RF uo=isRF输出电压uo与输入电流is成正比，即实现了电流/电压的变换。,集成I/V转换器：RCV420、MAX472,计量测试工程学院 朱维斌,二、V/I转换器,a）反相式,b）同相式,iI=Il=uI/R1
10、,iI,表明：负载阻抗中的电流iL与输入电压uI成正比，而与负载阻抗ZL无关，从而实现了电压与电流的变换。这个电路的缺点是，要求信号源和运算放大器都能给出要求的负载电流值，这是由于信号ui加于运算放大器反相输入端造成的。,b）图同相式，信号接于运算放大器的同相端，由于同相端有较高的输入阻抗，因而信号源只要提供很小的电流。,iI=Il=uI/R1,当需要较大的电流，或较高的输出电压（负载ZL有较大的阻抗值）时，普通的运放可能难以满足要求。,计量测试工程学院 朱维斌,ui,ui,大电流和高电压的电压/电流变换器,由于采用了三极管T来提高驱动能力，其输出电流可高达几安培，甚至于几十安培。,iI=Il
11、=uI/R1,当负载ZL的阻抗值较高时，a）图所示的电路中的运放仍然需要输出较高的电压。普通运放的输出最高幅值不超过18V。即使是高压运算放大器，其输出最高幅值一般不超过40V，而且价格昂贵。,a）,b）,b）图所示的电路可以满足负载ZL的阻抗值较高时需要较高输出电压的要求，该电路同时也能给出较大的负载电流。由于采用同相输入方式，也具有很高的输入阻抗。,计量测试工程学院 朱维斌,式中，为晶体管T的直流电流增益。选用值较大的晶体管，可有 1，则：,ui,b）,集成A/D转换器：AD693,计量测试工程学院 朱维斌,6.6 模拟数字转换电路,一、D/A转换器,D/A主要技术指标,分辨率：,精度,建
12、立时间,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（Least Significant Bit)表示。,二、D/A转换器的转换特性,UR为D/A的基准电压,对应于最高位（MSB）的输出电平是UR/2，对应于最低有效位（LSB）的输出电平是UR/2n，满量程值为,可见满量程值比基准电压小一个LSB电平，只要n足够大，UFUR。,计量测试工程学院 朱维斌,三、D/A转换器结构及原理,单片D/A转换器的基本组成,基准电压源,电阻解码网络,电子开关阵列,相加运算放大器,必有,基准电压源稳压二极管或外接电压。,电
13、子开关阵列许多模拟开关组成，每个开关控制一个二进制的权。,电阻解码网络核心部分，分两种,加权电阻网络,T型电阻网络,1、加权型,S1Sn为模拟开关，由相应的d1dn二进制码控制,UR为参考电压,计量测试工程学院 朱维斌,S1的权电阻为RS2的权电阻为2R,Sn的权电阻为2n-1R,接通相应的Sn，相应的权电流为,总的权电流,若R1=R/2,这种电路的缺点是：权电阻的精度影响太大,计量测试工程学院 朱维斌,2、T型电阻网络,R2R梯形电阻网络D/A转换器,同样S1Sn为模拟开关这些开关在地与虚地之间切换各模拟开关的支路电流永远不变,T型电阻网络的特殊之处在哪呢？从A1An各节点向右看，对地电阻均
14、为R。换句话说，就是从A1An各节点出发，往右、往下看，两个支路的等效电阻均为2R。,各支路的电流为,S开关控制流入真的地还是虚地,若R1=R，则,计量测试工程学院 朱维斌,二、A/D转换器,（一）、基本原理,同D/A一样主要技术指标,分辨率,精度,建立时间,b)采样保持,f,(,t,),t,F,8,F,6,F,5,F,4,F,3,F,2,F,1,0,1,2,3,4,5,6,7,F,7,O,假若,则,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
15、。,计量测试工程学院 朱维斌,编码怎么编？,设二进制数码为（d1d2dn），则,|量化值采样值|=量化误差,假如最小量化单位为,为1个LSB（量化阶）。,那最大量化误差为,LSB,（二）A/D转换器基本工作原理,1.双积分式A/D转换器,积分器,过零电压比较器,控制逻辑电路,时钟和计数器,组成,计量测试工程学院 朱维斌,1.预备阶段 逻辑控制电路发出复位指令，S4闭合，积分器输入输出都为零。,2.定时积分阶段 在t1时刻，逻辑控制电路发出启动命令，S4断开，S1闭合，于是积分器开始对输入电压ui积分，同时打开计数门，计数器计数，当计数器计满N1时（t2时刻），计数器的溢出脉冲使控制电路发出控制
16、信号，S1断开，定时积分阶段T1结束。,积分器输出电压为：,Ui在T1时间间隔内的平均值。,3.定值积分阶段 t2时刻，S1断开，与Ui极性相反的基准电压接入积分器，这里为+UR。输出Uo1向零电平斜变。计数器也重新从零开始计数。当输出电压达到零电平时刻，比较器翻转，逻辑控制电路发出计数器关门信号，停止计数，计数值为N2。,计量测试工程学院 朱维斌,N2经寄存器输出，即完成了模拟量向数字量的转化,优点：精度高，0.01%，抗干扰好。缺点：转换速度慢，mS级或更长。,计量测试工程学院 朱维斌,2.逐次逼近式A/D转换器,工作原理：启动后，逻辑控制电路使N位寄存器的最高位DN-1为1，以下各位为0
17、，这个二进制代码送D/A转换器转换成电压Uo（大致是满量程的一半），送到比较器与输入的模拟电压Ui比较若UxUo，则保留这一位；若UxUo，则DN-1位置0。,DN-1位比较完毕后，再对下一位即DN-2位进行比较，控制电路使寄存器DN-2位为1，其以下各位为0，然后再与上一次DN-1结果一起经过D/A转换后再次送到比较器Ux相比较。如此一位一位地比较下去，直至比较到最后一位（D0），这时Ui与Uo之间误差最小。发出EOC信号表示转换结束。,特点：精度较高，0.1%，速度较快，us级。,计量测试工程学院 朱维斌,3.并行比较式式A/D转换器,3位并行比较式A/D转换器,输入电压ui将与7各基准电
18、压同时进行比较。,译码和锁存电路的作用是对7个比较器的输出状态进行译码和锁存，输出三位二进制码。,优点：速度快，nS秒级，精度一般，低于逐次逼近式。,缺点：造价太高。,计量测试工程学院 朱维斌,（三）集成A/D转换器,转换时间,转换精度：位数,逐次逼近式用的最多。,1.ADC0809 逐次逼近式。,计量测试工程学院 朱维斌,2.双斜积分式A/D转换器ICL7135,ICL7135是双斜积分式位半的单片A/D转换器,通常情况下，设计者都是用单片机来并行采集ICL7135的数据，这种方法占用I/O口较多，读数时需按十进制位分时读取，因而编程麻烦，占用CPU时间也较多。,BUSY输出端（ICL7135的21脚）高电平的宽度等于被测电压积分和对基准电压进行反向积分时间之和。,如果利用单片机内部的计数器对ICL7135的时钟脉冲计数，利用“BUSY”作为计数器门控信号，控制计数器只能在BUSY为高电平时计数。将这段BUSY为高电平时间内的计数值减去10000，余数便等于被测电压的所对应的数值。,ICL7135的串行方式在实践中的应用效果很好,计量测试工程学院 朱维斌,Thank You!,
