第6章-信號轉(zhuǎn)換電路

第6章信號轉(zhuǎn)換電路作用：實現(xiàn)各種信號轉(zhuǎn)換，如S/H、V/f、V/I、A/D?！?.1模擬開關(guān)■6.2采樣保持電路■6.3電壓比較電路★■6.4電壓頻率轉(zhuǎn)換電路★■6.5電壓電流轉(zhuǎn)換電路★■6.6模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路★對信號轉(zhuǎn)換電路的要求：線性轉(zhuǎn)換較大的輸入阻抗較大的驅(qū)動能力和動態(tài)范圍其它應(yīng)用要求第6章信號轉(zhuǎn)換電路從信息形態(tài)變化的觀點將各種轉(zhuǎn)換分為三種：（1）從自然界物理量到電量的轉(zhuǎn)換;傳感器（2）電量之間的轉(zhuǎn)換;（3）從電量到物理量的轉(zhuǎn)換;調(diào)節(jié)器第6章信號轉(zhuǎn)換電路6.1模擬開關(guān)

模擬開關(guān)是一種在數(shù)字信號控制下將模擬信號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）電路兩部分組成。控制電路開關(guān)元件6.1模擬開關(guān)■

主要參數(shù)導(dǎo)通電阻Ron：開關(guān)閉合時的電阻；截止電阻Roff：開關(guān)關(guān)斷時的電阻，主要由漏電引起；延遲時間：控制信號改變時對應(yīng)產(chǎn)生的輸出延遲時間?！?/p>

開關(guān)電路類型增強型MOSFFT開關(guān)電路：N溝道增強型和CMOS型；集成模擬開關(guān)電路：在同一芯片上集成多個CMOS開關(guān)；多路模擬開關(guān)電路：由地址譯碼器和多路模擬開關(guān)組成。6.1模擬開關(guān)增強型MOSFET開關(guān)電路（絕緣柵型）6.1模擬開關(guān)CMOS開關(guān)電路6.1模擬開關(guān)集成模擬開關(guān)6.1模擬開關(guān)模擬多路開關(guān)電路6.2采樣保持（S/H）電路■作用：采集某一瞬間的模擬輸入信號，根據(jù)需要保持并輸出此電壓值。■采樣狀態(tài)：電路輸出信號穩(wěn)定地跟蹤模擬輸入信號?！霰３譅顟B(tài)：電路輸出信號保持采樣結(jié)束時刻的瞬時值。■用途：主要用于快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。捕捉時間長，電路的跟蹤特性差，關(guān)斷時間長，電路的保持特性不好，它們限制了電路的工作速度?！霾蹲綍r間：從發(fā)出采樣指令的時刻起，直到輸出信號穩(wěn)定地跟蹤上輸入信號為止所需的時間?！?/p>

關(guān)斷時間：從發(fā)出保持指令的時刻起，直到輸出信號穩(wěn)定下來為止所需的時間?；窘M成：1.模擬開關(guān)2.存儲電容3.緩沖放大器6.2采樣保持電路6.2.1基本原理當(dāng)Uc=“1”時，S接通，ui向C充電，輸出跟蹤模擬輸入信號變化——采樣階段(uo=uc=ui)?！?+N1+∞-+N2+uiuoUcCSuc當(dāng)Uc=“0”時，S斷開，uo保持S斷開瞬間的輸入信號值——保持狀態(tài)(uo保持uc值)。采樣定理：采樣頻率fs>

2

fmax采樣間隔Ts<1/

2

fmax通常取fs=(7~10)fmax

6.2.1基本原理■對采樣保持電路的主要要求：精度和速度為提高實際電路的精度和速度，可從元件和電路兩方面著手解決。6.2采樣保持電路■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?！龃鎯﹄娙荩阂x用介質(zhì)吸附效應(yīng)小和泄漏電阻大的電容?！鲞\算放大器：選用輸入偏置電流小、頻帶寬及轉(zhuǎn)換速率（上升速率）大的運算放大器，輸入運放還應(yīng)具有大的輸出電流。元件性能要求6.2采樣保持電路6.2.2單片集成采樣保持電路(AD582)將運放、NMOS管模擬開關(guān)S和與門控制電路DG集成在一塊芯片上(AD582)，其輸出uo送入AD571的輸入端，而AD571的狀態(tài)輸出端與AD582的控制端相連。由AD571的輸出狀態(tài)來控制AD582開關(guān)S的斷和通，使AD582處于保持/采樣狀態(tài)。6.3電壓比較電路■比較器用通用運算放大器和專用集成比較器的區(qū)別？

（1）比較器的一個重要指標(biāo)是它的響應(yīng)時間，它一般低于10-20ns。響應(yīng)時間與放大器的上升速率和增益-帶寬積有關(guān)。因此，必須選用這兩項指標(biāo)都高的運算放大器作比較器，并在應(yīng)用中減小甚至不用相位補償電容，以便充分利用通用運算放大器本身的帶寬來提高響應(yīng)速度。（2）當(dāng)在比較器后面連接數(shù)字電路時，專用集成比較器無需添加任何元器件，就可以直接連接，但對通用運算放大器而言，必須對輸出電壓采取嵌位措施，使它的高、低輸出電位滿足數(shù)字電路邏輯電平的要求。6.3電壓比較電路■作用：鑒別和比較兩個模擬輸入電壓的大小。當(dāng)ui<UR時，Uo為高電平“1”；當(dāng)ui>UR時，Uo為低電平“0”；當(dāng)ui=UR時，比較器翻轉(zhuǎn)。Uo=UR-ui在高低電平變化瞬間，可用“虛短”和“虛斷”進行分析，是模擬電路與數(shù)字電路之間聯(lián)系的橋梁。Uouiui<URui>URoUR

-1+1uiUR#Uo6.3.1電平比較電路(單門限電平)

6.3.1.1差動型電平比較電路Uouiui<URui>URoUR

當(dāng)ui<UR時，Uo為高電平“1”；當(dāng)ui>UR時，Uo為低電平“0”；當(dāng)ui=UR時，比較器翻轉(zhuǎn)。Uo=UR-ui當(dāng)UR=0時為過零比較器，又稱鑒零器。如正弦波經(jīng)過鑒零器后變?yōu)榉讲ā?1+1uiUR#Uo6.3.1電平比較電路(單門限電平)

6.3.1.2求和型電平比較電路(門限電平可變)∞-++uiUoU

R1R2R∑稱為門限電平?！鰞?yōu)點：門限電平可變■缺點：振鈴現(xiàn)象6.3.1電平比較電路(單門限電平)

6.3.1.2求和型電平比較電路(門限電平可變)當(dāng)ui<UR時，Uo為高電平“1”；當(dāng)ui>UR時，Uo為低電平“0”；當(dāng)ui=UR時，比較器翻轉(zhuǎn)。

由于干擾信號un的作用，當(dāng)ui+un=UR時就產(chǎn)生誤翻轉(zhuǎn)，即“振鈴”現(xiàn)象。unURuiUo∞-++uiUoU

R1R2R∑*6.3.2滯回比較電路(正反饋，兩個門限電平)UouioU1

U2

設(shè)輸出高低電平分別為UoH、UoL，則兩個門限電平分別為：滯后電平：Uo-1+1uiUR#R1R2R調(diào)節(jié)R1或R2可調(diào)節(jié)滯后電平，使稍大于預(yù)計的干擾信號un，可消除“振鈴”現(xiàn)象。ui<U1時Uo=UoH，ui>U2時Uo=UoL，U1<ui<U2時不翻轉(zhuǎn)。常作為整形電路。*6.3.3窗口比較電路(兩個門限電平)判斷ui是否在兩個電平之間。兩個門限電平分別為：當(dāng)ui<UR2時，Uo1=“1”，Uo2=“0”，則Uo=“1”；當(dāng)UR2<ui<UR1時，Uo1=“1”，Uo2=“1”，則Uo=“0”；當(dāng)ui>UR1時，Uo1=“0”，Uo2=“1”，則Uo=“1”。Uo-1+1uiE#R1R2RP-1+1#VS&Uo1Uo2U

R1U

R2N1N2UZ窗口寬度：UouioUR2

UR1

“1”

“0”

基準(zhǔn)電壓電路下限比較器上限比較器可調(diào)比較器的應(yīng)用電路1vi和光成正比。在白天，光電探測器中的輸出信號使得vi>VREF，此時，vo在Vs＝－15V附近，晶體管截止。在夜間，vi<VREF,vo在Vs＝＋15V附近，此時晶體管導(dǎo)通；繼電器開關(guān)中的電流就使街燈打開。在傍晚和黎明，vi＝VREF。比較器的應(yīng)用電路2用來對輸入波形進行整形，可以將不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出。

窗口比較器應(yīng)用3

——三極管值分選電路當(dāng)被測三極管的<150或>250，LED不亮，表示不合格；當(dāng)150250，LED亮，表示合格。已知電源電壓Vcc=12V，三極管集電極電阻R2=2K。LM393電壓比較器電平比較電路（單限比較）差動型電平比較電路輸入失調(diào)電壓影響，存在共模電壓；求和型電平比較電路沒有共模電壓，存在振鈴現(xiàn)象；滯回比較電路（單限比較）具有遲滯回差形狀；可以消除振鈴現(xiàn)象，回差電壓越小，抗干擾特性越好。窗口比較電路（雙限比較）具有兩個門限電壓。電壓比較器小結(jié)■定義：

V/f(電壓/頻率)轉(zhuǎn)換器能把輸入信號電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號，即它的輸出信號頻率與輸入信號電壓值成比例，故又稱為壓控振蕩器(VCO)?！鰬?yīng)用：在調(diào)頻、調(diào)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?！鲋笜?biāo)：額定工作頻率和動態(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。分類：積分復(fù)原型和電荷平衡型兩種6.4電壓頻率轉(zhuǎn)換電路

6.4.1V/f轉(zhuǎn)換電路N1R1C——

反相積分器；6.4.1.1通用運放V/f轉(zhuǎn)換電路

1.積分復(fù)原式V/f轉(zhuǎn)換電路N2R5~R8——

滯回比較器；V——

積分復(fù)位開關(guān)；Vs1——穩(wěn)定門限電平；Vs2Vs3——限制輸出電壓(限幅)。滯回比較器N2同相輸入端的兩個門限電平分別為：Uo=+UZ時，Uo=-UZ時，當(dāng)ui=0時，uc=0，uo=-Uz，V截止，則門限電平為：Up=U2uc≤U2時，uo=Uz，V導(dǎo)通，C通過R3放電，uc增大，同時up=U1(突變)——放電過程，放電時間為T2當(dāng)ui>0時，分兩種情況：常數(shù)(非線性項)uc≥U1時，uo=-Uz，V截止，C通過R1充電，uc減小，同時up=U2(突變)

——充電過程，充電時間為T1(線性項)為提高V/f轉(zhuǎn)換的線性度，要求第一項遠遠大于第二項特點因為復(fù)位電路具有非線性，所以精度和動態(tài)范圍受到限制。提高精度的主要措施是縮小復(fù)位時間。若要使非線性誤差從1％提高到0.01%，則復(fù)位時間必須減小到最小信號周期的0.01％以下。當(dāng)額定工作頻率為10KHZ時，信號的最小周期為0.1ms,這樣，復(fù)位時間必須小于0.01uS，這個要求通常很難滿足。必須改進復(fù)位電路，限制它的非線性影響。常采用電荷平衡法，而集成壓－頻變換器幾乎都是按這種方案設(shè)計的。利用這種方法，可以得到精度很高，動態(tài)范圍很寬的壓－頻變換器。6.4.1.1通用運放V/f轉(zhuǎn)換電路

2.電荷平衡式V/f轉(zhuǎn)換電路ttooucuot0t1N1RC——

反相積分器；N2——

過零比較器；Is——

恒流源發(fā)生器；當(dāng)uo=“0”時，S斷開，i向C充電，充電時間為t1，充電電荷為：ΔQ1=it1；當(dāng)uo=“1”時，S接通，C放電，放電時間為t0，放電荷為：ΔQ0=(Is-i)t0。根據(jù)電荷平衡原理有：優(yōu)點（1）輸出脈沖頻率與輸入電流有精密的線性關(guān)系?？墒狗蔷€性誤差降到0.005％以下。（2）在復(fù)位電路中采用了兩個精密部件－定時電路和恒流源，使放電電荷與輸入信號無關(guān)，始終為定值，提高了變換電路的線性度。（3）易于集成化，通常將積分器，比較器，定時電路，恒流源和緩沖器集成在一塊硅片上，應(yīng)用時外加少量元件，就能調(diào)節(jié)比較器的門限電位，定時電路的輸出脈寬和恒流源的輸出電流，從而提高了其適應(yīng)能力。6.4.1.2集成V/f轉(zhuǎn)換器(LM131框圖)精度高線性度高溫度系數(shù)低功耗低動態(tài)范圍寬6.4.1.2集成V/f轉(zhuǎn)換器(LM131簡化圖)當(dāng)ui>u6時，比較器輸出高電平，Q=“1”，V2導(dǎo)通，則Uo=UoL≈0，同時S閉合，CL充電，u6增大，Ct充電，u5增大，充電時間t0，充電電荷：Qx=Ist0=1.9t0/Rs，t0≈1.1RtCt；當(dāng)ui<u6，且u5≥2U/3時，單穩(wěn)輸出Q=“0”，V2截止，則Uo=UoH≈E，同時S斷開，CL通過RL放電，u6減小，Ct通過芯片內(nèi)放電管放電到零，放電時間t1，放電電荷為：QR=iLt1≈uiT/RL。根據(jù)電荷平衡原理有：應(yīng)用實例信號預(yù)處理V/F轉(zhuǎn)換光電耦合器單片機待測信號1～5V電壓信號脈沖頻率6.4.2f/V轉(zhuǎn)換電路

6.4.2.1通用運放f/V轉(zhuǎn)換電路定義：把頻率變化信號線性地轉(zhuǎn)換成電壓變化信號的轉(zhuǎn)換器稱為f/V轉(zhuǎn)換器。組成：電平比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和低通濾波器。

放大與電平鑒別器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

低通濾波器usUsUsˊ6.4.2f/V轉(zhuǎn)換電路

6.4.2.1通用運放f/V轉(zhuǎn)換電路工作原理：輸入信號ui通過比較器轉(zhuǎn)換成快速上升/下降的方波信號去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，產(chǎn)生定寬(Tw)、定幅度(Um)的輸出脈沖序列。將此脈沖序列經(jīng)低通濾波器平滑，可得到比例于輸入信號頻率fi的輸出電壓uo=TwUmfi。組成：電平比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和低通濾波器。6.4.2f/V轉(zhuǎn)換電路

6.4.2.1通用運放f/V轉(zhuǎn)換電路N1R3R4——

滯回比較器，輸出方波信號u1；N2R1R2V1V2——單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，使u2占空比隨fi升高而增大；N3R12C2——低通濾波器，對u2求平均。

u1為低電平時，uN<0，N2輸出高電平，V1V2導(dǎo)通，此時u2為低電平，即u2=“0”，C放電使up減??；V1截止時，

u1為高電平時，uN=UH>0，N2翻轉(zhuǎn)輸出低電平，V1V2截止，此時u2為高電平，即u2=Um，C充電使up增大，當(dāng)up上升到UH時，使N2再次翻轉(zhuǎn)“復(fù)位”，單穩(wěn)過程結(jié)束。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、延時和定時。對于幅度和寬度都不規(guī)則的脈沖信號，只要脈沖的幅度大于單穩(wěn)的觸發(fā)電平，則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可將不規(guī)則的脈沖波形變成幅度和寬度都相同的脈沖波形。低通濾波器輸出：6.4.2f/V轉(zhuǎn)換電路

6.4.2.2集成f/V轉(zhuǎn)換器(LM131)要求：，，當(dāng)ui無負(fù)脈沖輸入時，u6≈U>u7，U1=“0”，Q=“1”，此時S接地，V2導(dǎo)通，u5=uct=0，U2=“0”；當(dāng)ui有負(fù)脈沖輸入時，u6<u7，U1=“1”，Q=“0”，此時S接“1”，V2截止，Is對CL充電，U通過Rt對Ct充電，u5增大，充電時間t1，充電電荷為：Qs=Ist1=1.9t1/Rs，t1≈1.1RtCt；當(dāng)u5≥U-時，U2=“1”，此時u6已回升到u6>u7，U1=“0”，Q=“1”，S接地，CL通過RL放電，同時V2導(dǎo)通，Ct經(jīng)V2放電，使u5=uct=0，U2=“0”。放電時間t2，放電電荷QR=iLt2≈uoTi/RL。根據(jù)電荷平衡原理有：6.5電壓電流轉(zhuǎn)換電路■作用：減小傳輸導(dǎo)線阻抗對信號的影響。6.5.1I/V轉(zhuǎn)換電路1.

反相輸入型uo∞-+N+iS

RSR2R1i

■要求:（1）電流源內(nèi)阻RS很大；（2）iS>>Ib——運放的輸入失調(diào)電壓。6.5.1I/V轉(zhuǎn)換電路*2.同相輸入型■要求：

R4=R2//R3（R2和R3由i與uo的范圍確定）uo∞-+N+UbR3R1i

R4R2ui■例：4~20mA→0~10V

取R1=250Ω，i=4~20mA，ui=1~5V→uo=0~10V

，，，，6.5.1I/V轉(zhuǎn)換電路■例：4~20mA→0~5V

uN=uP=iSRuo∞-+N+RR1iS

R6R2+15VCuPuNR4R5R3RPRfVSUf取，，，調(diào)RP使Uf=7.53V，則uo≈312.5426iS-1.250=0~5V電流/電壓變換器應(yīng)用場合：光電池、光電阻檢測元件的微電流測量。缺點：1.輸入偏置電流Ib不為零，所以總是有誤差存在。2.為了獲得高精度的微電流放大器，必須選用開環(huán)輸入電阻高、Ib小的場效應(yīng)晶體管輸入型運算放大器。但這種運算放大器的Ib隨溫度上升而成倍增加。6.5.2V/I轉(zhuǎn)換電路

6.5.2.1運放構(gòu)成的V/I轉(zhuǎn)換電路■要求：R3>>RL

R4>>R7+RL取R1=R2，R3=R4，uN≈uP，則V1∞-+N+uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio6.5.2V/I轉(zhuǎn)換電路■例：0~10V→0~10mA取R2=100kΩ，

R4=20kΩ，

R7=200Ω，

Ub=0，則■例：0~10V→4~20mA取R2=100kΩ，R4=20kΩ，

R7=125Ω，Ub=-2.5V，則V1∞-+N+uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio分析如圖所示為什么電路，試分析其工作原理。取R1＝R2＝R3＝R4＝R0電壓/電流轉(zhuǎn)換電路在手機電池充電系統(tǒng)中的應(yīng)用■分辨率：對應(yīng)一個數(shù)字輸出的模擬輸入電壓有一定的幅度范圍，若超過這個幅度范圍，數(shù)字輸出就會發(fā)生變化，能分辨的最小電壓范圍叫做分辨率。通常用LSB(一個單位分辨率)表示?！隽炕土炕`差：將幅度連續(xù)取值的模擬信號變?yōu)橹荒苋∮邢迋€某一最小當(dāng)量的整數(shù)倍數(shù)值的過程稱為量化。通過量化將連續(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，最大誤差可達到1LSB的1/2。此誤差叫做量化誤差。6.6模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

6.6.1A/D轉(zhuǎn)換器■轉(zhuǎn)換精度：實際ADC在量化值上與理想ADC量化值的差值，可用絕對誤差或相對誤差表示。由于實際ADC的量化值除了含有量化誤差外，還有非線性誤差、使用元件和噪聲等產(chǎn)生誤差?！鲛D(zhuǎn)換時間：完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間，轉(zhuǎn)換速率是轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)。轉(zhuǎn)換速率常用采樣速率表示，采樣速率是采樣時間的倒數(shù)。6.6模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

6.6.1A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換過程：采樣、量化和編碼6.6.1A/D轉(zhuǎn)換器6.6.1.1基本原理■采樣：在時間上離散，用模擬信號與脈沖序列相乘實現(xiàn)?！隽炕涸诜瞪想x散，利用四舍五入規(guī)則，用有限個量化值來代替采樣值，量化值與采樣值之差稱為量化誤差?！鼍幋a：編碼與量化同時完成，通常用二進制碼表示，即1.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器6.6.1.2A/D轉(zhuǎn)換器工作原理■采樣階段T1：在T1時間內(nèi)，Ui通過R向C充電，計數(shù)器同時對時鐘脈沖開始計數(shù)，計數(shù)值為N1，采樣階段結(jié)束，計數(shù)器清零，積分器輸出：T1=N1TC1．雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器■比較階段T2：在T2時間內(nèi)，UR或(-UR)使積分器反相積分(UR與Ui極性相反)，同時計數(shù)器重新計數(shù)，計數(shù)值為N2，比較階段結(jié)束，此積分器輸出：UCUi1Ui2oT1T2T2ˊ把T1=N1TC，T2=N2TC代入上式得：

計數(shù)器記錄的脈沖數(shù)N2表示被測電壓Ui在T1時間內(nèi)的平均值Uiav，實現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。速度慢，抗干擾能力強。2.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器從高位到低位，逐位比較。把比較位置1，其它位置0，將數(shù)字代碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬電壓US，用US與模擬輸入電壓Ui比較，若US>Ui該位置0，若US<Ui該位保留(置1)。速度和精度較高，應(yīng)用廣泛。3.并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器將基準(zhǔn)電壓UR分成相等的2n份，每份為UR/2n，等于最低有效位LSB電壓值，并把UR/2n、2UR/2n、…(2n-1)UR/2n分別加到2n-1個比較器作參考電壓，而把Ui以并聯(lián)方式加到比較器的同相輸入端，與各自的參考電壓進行比較，獲得與二進制相對應(yīng)的2n-1個狀態(tài)送入編碼器，就可完成A/D轉(zhuǎn)換。速度高，分辨率低，功耗大，價格高。當(dāng)時，d1=1；當(dāng)時，d0=1；當(dāng)時，d0=1，d1=0。4.∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器■

∑-Δ調(diào)制器：A/D轉(zhuǎn)換

Δ——相鄰采樣點間信號的幅值之差；■采樣：采樣頻率fs1=1/Δt>>fs，取fs=256fs——過采樣；■量化：階梯信號x1(t)≈x(t)，逼近誤差e(t)=x(t)-x1(t)很??；■編碼：x1(t)上升一個Δ時，y1(n)=1；x1(t)下降一個Δ時，

y1(n)=0；x1(t)不變時，沒有y1(n)脈沖。

y1(n)