章信號的轉(zhuǎn)換

電子儀器設(shè)計主講教師：郝曉劍信息與通信工程學(xué)院電子工程系從信息形態(tài)變化的觀點將各種轉(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5章信號轉(zhuǎn)換電路在進行信號轉(zhuǎn)換時，需要考慮以下問題：轉(zhuǎn)換電路應(yīng)具有線性特性要求信號轉(zhuǎn)換電路具有一定的輸入阻抗和輸出阻抗以與之相聯(lián)的器件阻抗匹配有足夠的驅(qū)動能力和動態(tài)范圍。按轉(zhuǎn)換的方式分：線性轉(zhuǎn)換非線性轉(zhuǎn)換

線性轉(zhuǎn)換是采用線性電路來完成的，線性轉(zhuǎn)換只能改變信號頻譜分量的相對大小，而不會產(chǎn)生新的頻率成分，某些波形轉(zhuǎn)換、電壓/電流轉(zhuǎn)換可依靠線性轉(zhuǎn)換電路來完成。利用非線性電路可以實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換，例如混頻、分頻和倍頻。信號的非線性轉(zhuǎn)換主要應(yīng)用于信號的傳輸方面，特別是信號的遠距離傳輸，也就是信號的遙傳。常用的信號轉(zhuǎn)換電路有：采樣/保持（S/H）電路電壓比較電路（compararator）V/f（電壓/頻率）轉(zhuǎn)換器f/V（頻率/電壓）轉(zhuǎn)換器V/I（電壓/電流）轉(zhuǎn)換器I/V（電流/電壓）轉(zhuǎn)換器A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器5.1采樣保持電路基本性質(zhì)捕捉時間：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，所需的時間定義為捕捉時間關(guān)斷時間：從發(fā)出保持指令地時刻起，直到輸出信號穩(wěn)定下來為止，所需的時間定義為關(guān)斷時間。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。1.基本原理采樣保持電路的基本性質(zhì)組成：模擬開關(guān)模擬信號存儲電容緩沖放大器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)

對采樣保持電路的主要要求：

精度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。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)。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?？刂齐娐烽_關(guān)元件模擬開關(guān)的分類

按切換的對象分：電壓和電流開關(guān)電壓模擬開關(guān)的特點是：當開關(guān)斷開時，跨于它兩端的電壓總與被換接的電壓Vx有關(guān)，而且通過開關(guān)的電流則與負載RL有關(guān)。電流模擬開關(guān)的特點是：不管負載電阻RL的大小如何，流過開關(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。VXVKRLIKRLIx(a)電壓開關(guān)(b)電流開關(guān)模擬開關(guān)的分類

按切換的對象使用的元件：機械觸點式和電子式開關(guān)機械觸點式：干簧繼電器，水銀繼電器及機械振子繼電器等。電子式開關(guān)：二極管、雙極性晶體管、場效應(yīng)晶體管、光耦合器件及集成模擬開關(guān)等。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)動功耗等。動態(tài)特性：開關(guān)動作延遲時間，包括開關(guān)導(dǎo)通延遲時間Ton和開關(guān)截止延遲時間Toff,通常Ton>Toff,理想模擬開關(guān)時Ton→0，Toff→0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

增強型是指當Ugs＝0時，管內(nèi)尚無導(dǎo)電溝道，即使加上漏源電壓Uds，也不會產(chǎn)生漏極電流id。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

存儲電容

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：當電路從采樣轉(zhuǎn)到保持，介質(zhì)的吸附效應(yīng)會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，電容放電，介質(zhì)吸附效應(yīng)會使放電后的電容電壓回升，引起小信號峰值的檢波誤差。電容器的泄漏電阻引起電容上的保持電壓隨時間逐漸減小，降低保持精度）什么是電容的吸附效應(yīng)？在實際電容器中，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實現(xiàn)，往往需要一定的時間，因而使電介質(zhì)常數(shù)隨信號頻率和環(huán)境溫度變化，不能似為常數(shù)實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總結(jié)

從元件方面來看，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算放大器。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）大的運算放大器；輸入運放還應(yīng)具有大的輸出電流

5.2電壓比較電路(Comparer)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。

一電平比較電路（單閾值比較器）（a）差動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：閾值可變?nèi)秉c：振零現(xiàn)象二滯回比較電路（正反饋閾值）兩個閾值：三窗口比較電路

下限比較器N2反相輸入端的基準電壓為，上限比較器N1同相輸入端的基準電壓為。

比較器的選用(1)在要求不高時，也可以將運放作為比較器，但輸出高、低電平要與下級相配合。(2)在要求精度（或靈敏度）高而響應(yīng)速度不是重點時，可以選精密型比較器，如CJ0119。在要求響應(yīng)快時要選高速型，如CJ0361（tr＝12ns），但靈敏度不高（為3000），兩者難以兼顧。(3)比較器的輸出電平雖然是要與數(shù)字電路的邏輯電平配合，但還要注意器件類型，一般來說，雙極型的比較器與雙極型的數(shù)字電路能配合，反之亦然，對供電電源是否能合用也應(yīng)考慮。例1、單限比較器電路的應(yīng)用某儀器中過熱檢測保護電路例2、滯回比較器電路的應(yīng)用

某電磁爐電路中電網(wǎng)過電壓檢測電路部分

應(yīng)用舉例—三極管

值分選電路885V2.5VV1V2V+15V10k20k20k430k1M5k1.5k3CG50100，LED不亮。分析電路是否滿足要求：<50

或>100，LED亮，[解]IB=(15-0.7)/1430=0.01mA當<50

時，IC<

0.5mA，UC<2.5V,V2

導(dǎo)通，LED亮當>100

時，IC>

1mA，UC>5VV1

導(dǎo)通，LED亮當50

100時，2.5VUC

<5V，

LED不亮例3、窗口比較器電路的應(yīng)用采用上面窗口比較器可以區(qū)分三極管β是否在需要范圍內(nèi)，比如記為合格范圍為50<β＜100，其它β<50或β>100均要取出，則可用發(fā)光二極管亮表示一種越限極警，不亮記為可通過即β合格。比較器作為接口電路的應(yīng)用1、不同通訊方式間電平的轉(zhuǎn)換2、不同儀器間的電平轉(zhuǎn)換5.3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：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

（擴展）

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點：

①具有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(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)維持一定時間后，再自動返回穩(wěn)態(tài)。

③暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長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、延時和定時。

1.脈沖整形：對于幅度和寬度都不規(guī)則的脈沖信號，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：利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)期間輸出的高、低電平去控制某個電路定時工作。

3.用于延時利用單穩(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：在一個脈沖信號到達后，延遲一段時間再產(chǎn)生一個脈沖，以控制兩個相繼進行的操作。延時脈沖形成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)時間由Rt,Ct充電時間決定。暫穩(wěn)態(tài)時，IS對RL,CL充電5.4I/V轉(zhuǎn)換電路1.I/V轉(zhuǎn)換器例1將0～10mA的輸入直流電流轉(zhuǎn)換為0～10V的輸出直流電壓。如圖所示，取R1＝250Ω（即ui＝0～2.5V），R3＝5.1kΩ，則R2＝15kΩ＋0.3kΩ（一個15kΩ的電阻與一個2.2kΩ的電位器串聯(lián)），R4＝3.9kΩ。T形網(wǎng)絡(luò)微電流放大電路2.V/I轉(zhuǎn)換器例2如果要將0～10V的輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為4～20mA的輸出直流電流，試設(shè)計其轉(zhuǎn)換電路并計算相關(guān)元件參數(shù)。例3如果要將4～20mA的電流轉(zhuǎn)換為0～10V的輸出電壓，試設(shè)計其轉(zhuǎn)換電路并計算相關(guān)元件參數(shù)。

取R1=250Ω，當i=4mA時，ui=1V，當i=20mA時，ui=5V。見課本p1415.5AD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，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)取值的模擬信號變?yōu)橹荒苋∮邢迋€某一最小當量的整數(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。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。精度分為絕對精度和相對精度。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)

計數(shù)器

控制邏輯

數(shù)據(jù)輸出

標準時鐘

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

時鐘

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

控制邏輯與時序

啟動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n位D/A轉(zhuǎn)換器，設(shè)其輸入是n位二進制數(shù)字輸入信號Din(d1,…dn),Din=d1x2-1+…+dnx2-n如果D/A轉(zhuǎn)換器的基準電壓位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電壓源，電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，電子開關(guān)陣列和相加運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)

2RI8RI4RI2RI2R

2R

2R

4RIUo

R

dn-1

dn

(LSB)

1R2-nInI2RnI2R1R2-nI2R

2R

2R

Io

Sn-1

Sn

R1

A2

A3

An-1

An

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

∞

-

+

+

N

DA轉(zhuǎn)換器集成D/A轉(zhuǎn)換器

UREF

UCC

Rf

b

Io1

Io2

CSDI11

DI10

DI1

DI0

XFER21BYBY1WR2WRDAC1208

4位輸入鎖存器

LE1

LE2

LE3

LSB

MSB

8位輸入鎖存器

12位

DAC

鎖存器

12位相乘型D/A

轉(zhuǎn)換

電路

15

16

17

DI9

19

20

4

5

6

7

8

9

23

1

2

21

22

10

14

13

11

24

3

12

&

&

&