测控电路第六章信号转换电路

中国计量学院第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：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。控制电路开关元件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沟道增强型MOSFET开关电路uiRonON沟道MOSFET的Ron—ui特性曲线∴uiuc－uT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Guc为低电平时，开关不导通，相当于断路，截止电阻1013Ω。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oRonRon(C)Ron(N)Ron(P)uia)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。uiuouGP+E-EGNu计量测试工程学院朱维斌4066管脚信息（二）多路模拟开关逻辑电平转换电路图6-5CD4051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：模拟开关模拟信号存储电容输入、输出缓冲放大器开关控制uiSC采样信号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。()()=）为发出保持命令的时刻保持期(t000tutuuii采样期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OtTsui,uoOtuof(t)fs(t)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：Tfs1=模拟信号最大频率为fmaxfs2fmax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：fOfminfmaxa)F(f)a）图为输入信号的频谱b)E0E1E2Ofs2fsfFs(f)采样后所获得的信号是模拟信号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。=tfEtfEEtfsss4cos2cos)(210频谱图为左b)图计量测试工程学院朱维斌Ofminfmaxfs-fmaxfs+fmaxfs2fsfF(f)*Fs(f)c)S/H电路输出信号频谱=tftfEtftfEtfEtftfsss4cos)(2cos)()()()(210利用三角函数展开2/)(2cos)(2costfftffss∴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。fs＋fminfs－fmin∴fs－fmaxfmax得：fs2fmax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Uc∞-++NR-EV1uiCuoV高精度S/H电路V为主开关，V1为隔离开关。uc为高电平时，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。V1SG∞-++NRu2u1I1V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&1234567891011121314模拟量输入状态AD571偏移调节C+5VAD582uoui∞-++N1∞-++N2UcSDG#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-1+1#uiUoURuiURuiUoUROuiURa)b)图6-9电压比较器及其特性uiuRuo=0uiuRuo=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∞-++uiUoUR1R2RΣVRRVR21=优点：阈值可变缺点：振零现象URuiunMNPQUo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a)电路原理图b)传输特性uiUoU1OU2-1+1#uiUoURRR2R12122111RRRURRRUUoLR=两个门限电压：2122112RRRURRRUUoHR=滞后电平：)(21212oLoHUURRRUUU==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riis为电流源，Rs为电流源内阻。理想状态下，Rs应很大。iF=is－iB≈is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/R1iI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uiui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=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1111RuiiIL==式中，β为晶体管T的直流电流增益。选用β值较大的晶体管，可有β1，则：1RuiIL=uib）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（LeastSignificantBit)表示。二、D/A转换器的转换特性)222(2211nnRinRodddUDUU==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nRRnRniiRFUUUUU2)211(21====可见满量程值比基准电压小一个LSB电平，只要n足够大，UF≈UR。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S1~Sn为模拟开关，由相应的d1~dn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2RSn的权电阻为2n-1R接通相应的Sn，相应的权电流为RUnR12∴总的权电流iniiRodRUI==112==niiiRdRU122这就是Din11122RdRURIUniiiRoo===若R1=R/2RinRinUDRRUD==22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URRS1S2S3RA1d1d2d3(MSB)2RI8RI4RI2RI2R2R2R4RIUoRdn-1dn(LSB)1R2nInI2RnI2R1R2nI2R2R2RIoSn-1SnR1A2A3An-1An1010101010∞-++NR—2R梯形电阻网络D/A转换器同样S1~Sn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A1~An各节点向右看，对地电阻均为R。换句话说，就是从A1~An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nRRRIII24,2S开关控制流入真的地还是虚地)2222(3322111nRnRRRooIdIdIdIdRRIu==)2222(3322111nnRddddRI=)2222(3322111nnRddddRRU===niiiRdRRU112若R1=R，则inRoDUU=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a)采样f(t)tF8F6F5F4F3F2F101234567F7Ob)采样保持f(t)tF8F6F5F4F3F2F101234567F7Oc)量化及编码f1(t)t01234567011101111111110100011101对应编码'1F'2F'3F'4F'5F'6F'7F'8F假若2)(2qNqtfqNq则Nqtf=)(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