第06章 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路第一節(jié)采樣保持電路信號(hào)轉(zhuǎn)換電路從信息形態(tài)變化的觀點(diǎn)將各種轉(zhuǎn)換分為三種：從自然界物理量到電量的轉(zhuǎn)換電量之間的轉(zhuǎn)換從電量到物理量的轉(zhuǎn)換采樣保持電路基本性質(zhì)捕捉時(shí)間：從發(fā)出采樣指令的時(shí)刻起，直到輸出信號(hào)穩(wěn)定地跟蹤上輸入信號(hào)為止，所需的時(shí)間定義為捕捉時(shí)間關(guān)斷時(shí)間：從發(fā)出保持指令地時(shí)刻起，直到輸出信號(hào)穩(wěn)定下來(lái)為止，所需的時(shí)間定義為關(guān)斷時(shí)間。捕捉時(shí)間長(zhǎng)，電路的跟蹤特性差，關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)，電路的保持特性不好，它們限制了電路的工作速度。第一節(jié)采樣保持電路采樣保持電路的基本性質(zhì)組成：模擬開關(guān)模擬信號(hào)存儲(chǔ)電容緩沖放大器第一節(jié)采樣保持電路

a)

O

t

Ts

ui

,uo

O

t

uo

f(t)

fs(t)

第一節(jié)采樣保持電路fs＋fminfs－fmin

f

O

fmin

fmax

a)

F(f)

b)

E0

E1

E2

O

fs

2fs

f

Fs(f)

O

fmin

fmax

fs-

fmax

fs+

fmax

fs

2fs

f

F(f)*

Fs(f)

采樣保持電路對(duì)采樣保持電路的主要要求：精度和速度為提高實(shí)際電路的精度和速度，可從元件和電路兩方面著手解決。元件性能的影響和要求輸入輸出緩沖器

特別需注意的參數(shù)：輸入偏置電流以及帶寬，上升速率和最大輸出電流等性能參數(shù)。

S

Uc

uo

ui

C

∞

-

+

+

N1

∞

-

+

+

N2

元件性能的影響和要求模擬開關(guān)

模擬開關(guān)是一種在數(shù)字信號(hào)控制下將模擬信號(hào)接通或斷開的元件或電路。該開關(guān)由開關(guān)元件和控制（驅(qū)動(dòng)）電路兩部分組成。控制電路開關(guān)元件元件性能的影響和要求模擬開關(guān)的分類

按切換的對(duì)象分：電壓和電流開關(guān)電壓模擬開關(guān)的特點(diǎn)是：當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，跨于它兩端的電壓總與被換接的電壓Vx有關(guān)，而且通過(guò)開關(guān)的電流則與負(fù)載RL有關(guān)。電流模擬開關(guān)的特點(diǎn)是：不管負(fù)載電阻RL的大小如何，流過(guò)開關(guān)的電流總是和被換接的電流Ix相等，而且換接的電壓則由RL*Ix決定。元件性能的影響和要求模擬開關(guān)的分類（電壓和電流開關(guān)）

VXVKRLIKRLIx(a)電壓開關(guān)(b)電流開關(guān)元件性能的影響和要求模擬開關(guān)的分類（電壓和電流開關(guān)）

￥-+R1R2+VRV0V0￥-+R1R2+VR元件性能的影響和要求模擬開關(guān)的分類

按切換的對(duì)象使用的元件：機(jī)械觸點(diǎn)式和電子式開關(guān)機(jī)械觸點(diǎn)式：干簧繼電器，水銀繼電器及機(jī)械振子繼電器等。電子式開關(guān)：二極管、雙極性晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光耦合器件及集成模擬開關(guān)等。元件性能的影響和要求模擬開關(guān)的性能參數(shù)

靜態(tài)特性：主要指開關(guān)導(dǎo)通和斷開時(shí)輸入端與輸出端之間的電阻Ron和Roff,此外還有最大開關(guān)電壓、最大開關(guān)電流和驅(qū)動(dòng)功耗等。動(dòng)態(tài)特性：開關(guān)動(dòng)作延遲時(shí)間，包括開關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間Ton和開關(guān)截止延遲時(shí)間Toff,通常Ton>Toff,理想模擬開關(guān)時(shí)Ton→0，Toff→0元件性能的影響和要求模擬開關(guān)的性能參數(shù)

為了得到高質(zhì)量的采樣保持電路，場(chǎng)效應(yīng)模擬開關(guān)的速度應(yīng)快，極間電容，夾斷電壓或開啟電壓，導(dǎo)通電阻和反向漏電流等參數(shù)都應(yīng)小。模擬開關(guān)增強(qiáng)型MOSFET開關(guān)電路（絕緣柵型）

D

B

S

G

ui

uo

uc

i

b)

S

B

D

G

ui

uo

uc

i

a)

ui

o

Ron

O

ui

模擬開關(guān)CMOS開關(guān)電路

ui

uo

uGP

uGN

+E

-E

ui

o

Ron

Ron(C)

Ron(N)

Ron(P)

ui

O

a)

b)

集成模擬開關(guān)CMOS開關(guān)電路

uc

ui

+E

圖6-6含輔助電路的CMOS開關(guān)電路

uo

-E

D2

DG1

1

1

V3

V4

V3

V4

1

1

DG2

uc

-E

V2

V1

V5

+E

多路模擬開關(guān)

0

2

3

5

6

7

輸入/輸出

A

B

C

輸出/輸入

+E

-E1

-E2

邏輯電平轉(zhuǎn)換電路

8選1譯碼電路

13

14

15

12

1

5

2

4

16

11

10

9

6

8

7

INH

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

S8

圖6-7CD4051原理圖

1

4

元件性能的影響和要求存儲(chǔ)電容

選用介質(zhì)吸附效應(yīng)小和泄漏電阻大的電容器，如聚苯乙烯，鉭電容和聚碳酸脂電容器等。(原因：當(dāng)電路從采樣轉(zhuǎn)到保持，介質(zhì)的吸附效應(yīng)會(huì)使電容器上的電壓下降，被保持的電壓低于采樣轉(zhuǎn)保持瞬間的輸入電壓，峰值檢波器復(fù)位時(shí)，電容放電，介質(zhì)吸附效應(yīng)會(huì)使放電后的電容電壓回升，引起小信號(hào)峰值的檢波誤差。電容器的泄漏電阻引起電容上的保持電壓隨時(shí)間逐漸減小，降低保持精度）什么是電容的吸附效應(yīng)？在實(shí)際電容器中，電容器介質(zhì)的偶極子及其界面極化的形成和消失都不可能瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)，往往需要一定的時(shí)間，因而使電介質(zhì)常數(shù)隨信號(hào)頻率和環(huán)境溫度變化，不能似為常數(shù)實(shí)際電容器的仿真模型如右圖所示，圖中C為理想電容值，R0為電容器的泄漏電阻，其余的阻容網(wǎng)絡(luò)為則為介質(zhì)吸附效應(yīng)的仿真。1什么是電容的吸附效應(yīng)？實(shí)驗(yàn)分析表明，阻容電路的時(shí)間常數(shù)相差很大，可從幾十毫秒到幾十秒。（1）T充電時(shí)間《MAX(T阻容電路)

切斷充電（2）T充電時(shí)間》MAX(T阻容電路)切斷電源將電容器短路，且T短路時(shí)間《（3～5）MAX(T阻容電路).總結(jié)

從元件方面來(lái)看，提高精度的重要措施是減小各種漏電流和偏置電流，選用介質(zhì)吸附效應(yīng)小的電容器，減小開關(guān)導(dǎo)通電阻等的影響。提高工作速度的措施是提高開關(guān)速度，減小開關(guān)極間電容的影響，選用上升速率和輸出電流大的運(yùn)算放大器。精度提高的方法（電路）（1）模擬開關(guān)漏電流的旁路

Uc

∞

-

+

+

N

R

-E

V1

ui

C

uo

V

精度提高的方法（電路）（2）電容校正方法

uo

ui

C

V

Uc

VD1

VD2

V1

∞

-

+

+

N2

∞

-

+

+

N1

R1

C1

R3

R2

V2

C

uo

∞

-

+

+

N2

∞

-

+

+

N1

ui

R1

C1

Ron1

C

uo

∞

-

+

+

N2

∞

-

+

+

N1

ui

C1

Ron2

Ron

b)

精度提高的方法（電路）（2）電容校正方法的矛盾

精度

《》速度

C

uo

∞

-

+

+

N2

∞

-

+

+

N1

ui

C1

Ron2

Ron

b)

提高速度的方法（電路）減少反饋回路中的時(shí)間常數(shù)數(shù)目來(lái)提高速度

∞

-

+

+

N1

∞

-

+

+

N2

Uc

uo

C

ui

V1

R1

R2

V

V2

VD1

VD2

單片集成采樣－保持電路

&

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

?/#

模擬量輸入

狀態(tài)

AD571

偏移調(diào)節(jié)

C

+5V

AD582

uo

ui

∞

-

+

+

N1

∞

-

+

+

N2

Uc

S

DG

#

總結(jié)模擬開關(guān)：要求模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻小，漏電流小，極間電容小和切換速度快。存儲(chǔ)電容：要選用介質(zhì)吸附效應(yīng)小的和泄漏電阻大的電容。運(yùn)算放大器：選用輸入偏置電流小、帶寬寬及轉(zhuǎn)換速率（上升速率）大的運(yùn)算放大器；輸入運(yùn)放還應(yīng)具有大的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(二)電壓比較電路電壓頻率轉(zhuǎn)換電路電壓比較電路比較器用通用運(yùn)算放大器和專用集成比較器的區(qū)別？

（1）比較器的一個(gè)重要指標(biāo)是它的響應(yīng)時(shí)間，它一般低于10-20ns。響應(yīng)時(shí)間與放大器的上升速率和增益-帶寬積有關(guān)。因此，必須選用這兩項(xiàng)指標(biāo)都高的運(yùn)算放大器作比較器，并在應(yīng)用中減小甚至不用相位補(bǔ)償電容，以便充分利用通用運(yùn)算放大器本身的帶寬來(lái)提高響應(yīng)速度。（2）當(dāng)在比較器后面連接數(shù)字電路時(shí)，專用集成比較器無(wú)需添加任何元器件，就可以直接連接，但對(duì)通用運(yùn)算放大器而言，必須對(duì)輸出電壓采取嵌位措施，使它的高，彽輸出電位滿足數(shù)字電路邏輯電平的要求。電壓比較電路一電平比較電路（單閾值比較器）（a）差動(dòng)比較電路電壓比較電路一電平比較電路（b）求和比較電路（閾值可變）優(yōu)點(diǎn)：閾值可變?nèi)秉c(diǎn)：振零現(xiàn)象電壓比較電路二滯回比較電路（正反饋閾值）兩個(gè)閾值：?jiǎn)畏较騿伍撝惦妷罕容^電路三窗口比較電路

單方向多個(gè)閾值電壓頻率轉(zhuǎn)換電路V/f轉(zhuǎn)換器定義：V/f(電壓/頻率)轉(zhuǎn)換器能把輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，即它的輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)電壓值成比例，故又稱為電壓控制(壓控)振蕩器(VCO)。應(yīng)用：在調(diào)頻，鎖相和A/D變換等許多技術(shù)領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用。指標(biāo)：額定工作頻率和動(dòng)態(tài)范圍，靈敏度或變換系數(shù)，非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數(shù)等電壓頻率轉(zhuǎn)換電路積分復(fù)原型組成：積分器、比較器和積分復(fù)原開關(guān)等電壓頻率轉(zhuǎn)換電路電荷平衡型電壓頻率轉(zhuǎn)換電路電荷平衡型電壓頻率轉(zhuǎn)換電路集成V/F轉(zhuǎn)換器電壓頻率轉(zhuǎn)換電路集成V/F轉(zhuǎn)換器f/V轉(zhuǎn)換電路通用f/V

轉(zhuǎn)換電路包括三個(gè)部分：電平比較器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和彽通濾波器f/V轉(zhuǎn)換電路

Tw

0V

0V

u2

uN

uP

Um

UH

UL

66RRRE+

UH

0V

0V

0V

ui

u1

u2

UZ

（擴(kuò)展）

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點(diǎn)：

①具有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)兩種工作狀態(tài)。②在外加觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。在暫穩(wěn)態(tài)維持一定時(shí)間后，再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)。③暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路的參數(shù)。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種脈沖整形電路，多用于脈沖波形的整形、延時(shí)和定時(shí)。1.脈沖整形：對(duì)于幅度和寬度都不規(guī)則的脈沖信號(hào)，只要這些脈沖的幅度都大于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)電平，則經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以將不規(guī)則的脈沖波形變成幅度和寬度都相同的脈沖波形。2.用于定時(shí)：利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)期間輸出的高、低電平去控制某個(gè)電路定時(shí)工作。3.用于延時(shí)利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)期間輸出的高電平去控制與門的開

3.延時(shí)：在一個(gè)脈沖信號(hào)到達(dá)后，延遲一段時(shí)間再產(chǎn)生一個(gè)脈沖，以控制兩個(gè)相繼進(jìn)行的操作。延時(shí)脈沖形成f/V轉(zhuǎn)換電路集成f/V轉(zhuǎn)換器＃穩(wěn)態(tài)：Q=0暫穩(wěn)態(tài)：Q=1暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間由Rt,Ct充電時(shí)間決定。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，IS對(duì)RL,CL充電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路AD轉(zhuǎn)換電路和DA轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)理解定義和內(nèi)容1分辨率：對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字輸出的模擬輸入電壓有一定的幅度范圍，若超過(guò)這個(gè)幅度范圍，數(shù)字輸出就會(huì)發(fā)生變化，這樣能分別的電壓范圍叫做分辨率。通常用LSB（LeastSignificantBit)表示。AD轉(zhuǎn)換電路和DA轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)理解定義和內(nèi)容2量化和量化誤差：將幅度連續(xù)取值的模擬信號(hào)變?yōu)橹荒苋∮邢迋€(gè)某一最小當(dāng)量的整數(shù)倍數(shù)值的過(guò)程稱為量化。通過(guò)量化將連續(xù)量轉(zhuǎn)換成離散量，必然存在類似于四舍五入產(chǎn)生的誤差，最大誤差可達(dá)到1LSB的1/2。此誤差叫做量化誤差。AD轉(zhuǎn)換電路和DA轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)理解定義和內(nèi)容2量化和量化誤差：

a)

f(t)

t

F8

F6

F5

F4

F3

F2

F1

0

1

2

3

4

5

6

7

F7

O

b)

f1(t)

t

0

1

2

3

4

5

6

7

011

101

111

111

110

100

011

101

對(duì)應(yīng)編碼

'1F'2F'3F'4F'5F'6F'7F'8FAD轉(zhuǎn)換電路和DA轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)理解定義和內(nèi)容3精度：理想的ADC是指不含量化誤差以外的誤差，但實(shí)際上由于使用的元件和噪聲等產(chǎn)生各種誤差。精度是表示所含誤差的比例，用刻度的百分比或PPM表示。精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。AD轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理1雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

#

-1

+1

電子開關(guān)

計(jì)數(shù)器

控制邏輯

數(shù)據(jù)輸出

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘

R

C

Ui

UR

-UR

UC

∞

-

+

+

N

b)

UC

Ui1

Ui2

T1

t

O

'2T''2TAD轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理2逐次逼進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器

比較器

D/A

轉(zhuǎn)換器

逐次逼近

寄

存

器

邏輯控制

電

路

輸出緩沖器

輸出允許

轉(zhuǎn)換結(jié)束

啟動(dòng)

時(shí)鐘

Ui

US

Dn-1

D0

…

AD轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理3并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器

-1

+1

#

N1

-1

+1

#

-1

+1

#

N2

N3

≥1

&

1

Ui

d1

d0

3UR/4

UR/2

UR/4

AD轉(zhuǎn)換器集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

a)

8路

模擬

開關(guān)

IN7

8路模擬量輸入

地址

鎖存

與

譯碼

ADDA

ADDB

ADDC

ALE

3位

地址線

地址鎖存允許

-1

+1

SAR

控制邏輯與時(shí)序

啟動(dòng)START

CLK

EOC

轉(zhuǎn)換結(jié)束

8位數(shù)據(jù)輸出

三態(tài)輸

出鎖存

緩沖器

D0

D7

OE輸出允許

REF(+)

REF(-)

開關(guān)樹

GND

UCC

#

IN0

WR

…

AD轉(zhuǎn)換器集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

b)

START

GND

四分頻

P0.7

P0.0

P0.1

P0.2

ui7

ui0

P2.7

RDWR

0INTALE

+5V

?/#

ADC0809

ALE

OE

EOC

CLK

UCC

REF(+)

REF(–)

D7

D0

ADDC

ADDB

ADDA

IN7

IN0

≥1

1

≥1

…

…

…

…

…

…

DA轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性對(duì)n位D/A轉(zhuǎn)換器，設(shè)其輸入是n位二進(jìn)制數(shù)字輸入信號(hào)Din(d1,…dn),Din=d1x2-1+…+dnx2-n如果D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓位UR,則理想D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U0可表示為U0=UR*DinDA轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)及原理單片D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成包括基準(zhǔn)電壓源，電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，電子開關(guān)陣列和相加運(yùn)算放大器四部分組成。1加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電路

UR

uo

S2

d2

dn

Sn

2R

4R

2n-1R

S3

d3

S1

d1

R

∞

-

+

+

N

I1

I2

I3

In

Io

R1

…

…

A

DA轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)及原理1R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)

UR

R

S1

S2

S3

R

A1

d1

d2

d3

(MSB)

2RI8R