测控电路第6章.pptx

测控电路 第六章 信号转换电路11第第6章章 信号转换电路信号转换电路第一节 采样保持电路第二节 电压比较电路第三节 电压频率转换电路第四节 电压电流转换电路第五节 模拟数字转换电路测控电路 第六章 信号转换电路22信号转换电路概述信号转换电路概述 在测控系统中常常需要将一种形式的号转换成另一在测控系统中常常需要将一种形式的号转换成另一 种形式的信号，使具有不同输入、输出的电路单种形式的信号，使具有不同输入、输出的电路单元或子系统可以联用，以达到易于测量或控制的元或子系统可以联用，以达到易于测量或控制的目的。在进行信号转换时，需要考虑以下两个问目的。在进行信号转换时，需要考虑以下两个问题：题：1.1.转换电路应具有线性特性转换电路应具有线性特性2.2.要求信号转换电路具有一定的输入输出阻抗，要求信号转换电路具有一定的输入输出阻抗，保证与之相联的大量的阻抗匹配。保证与之相联的大量的阻抗匹配。测控电路 第六章 信号转换电路33第一节第一节 采样保持电路采样保持电路采样、保持器是在输入逻辑电平的控制下，处于“采样”和“保持”两种工作状态的电路。在“采样”状态下，电路的输出跟踪输入信号变化而变化；在“保持”状态下，电路的输出为采样结束时刻的输入信号的瞬时值，该状态一直持续到新的采样指令的到来。测控电路 第六章 信号转换电路44采样采样/保持器的主要技术特性保持器的主要技术特性1.捕捉时间捕捉时间：采样：采样/保持器从保持状态转换为采样保持器从保持状态转换为采样状态时，状态时，S/H的输出从原保持值过渡到跟踪输的输出从原保持值过渡到跟踪输入信号的过程时间称为捕捉时间。入信号的过程时间称为捕捉时间。2.孔径时间：从保持命令发出到模拟开关完全断孔径时间：从保持命令发出到模拟开关完全断开所延迟的时间。开所延迟的时间。3.保持电压下降速率：保持期间电容电压的变化，保持电压下降速率：保持期间电容电压的变化，以保持电压的变化速率来度量。以保持电压的变化速率来度量。4.馈送：在保持期间，输出随输入信号的微小变馈送：在保持期间，输出随输入信号的微小变化。化。测控电路 第六章 信号转换电路55采样采样/保持电路（保持电路（S/H)S/H)的基本结构及工作原理的基本结构及工作原理采样/保持器（S/H）一般由三部分组成:1.输入缓冲放大器2.采样/保持开关及控制电路3.保持电容和输出缓冲放大器采样/保持放大器在结构上一般有两种:1.开环结构：高速采样/保持器（S/H）；2.闭环结构：高精度采样/保持器（S/H）。测控电路 第六章 信号转换电路661.1.开环结构：高速开环结构：高速采样采样/保持器保持器组成：N1是输入缓冲放大器S是采样/保持开关C是保持电容N2是输出缓冲放大器测控电路 第六章 信号转换电路771.1.简单、速度快简单、速度快2.2.但由于两个缓冲放但由于两个缓冲放大器的失调叠加后直大器的失调叠加后直接输出，因此精度低接输出，因此精度低适用于要求高速，精适用于要求高速，精度低的场合。度低的场合。结构特点：测控电路 第六章 信号转换电路882.2.闭环采样闭环采样/保持器保持器a.输出跟随器反馈型输入级输入级N1N1是高增益差动放大器，当开关闭合时保持电是高增益差动放大器，当开关闭合时保持电容容C C被充电，跟随器被充电，跟随器N2N2的输出反馈到的输出反馈到N1N1输入级，输入差输入级，输入差动放大器的增益、带宽、共模误差以及电流驱动能力动放大器的增益、带宽、共模误差以及电流驱动能力等容限内，输出跟踪输入。由于反馈的作用，输出级等容限内，输出跟踪输入。由于反馈的作用，输出级N2N2的失调电压被衰减的失调电压被衰减N1N1的开环增益倍后输出，因此其的开环增益倍后输出，因此其跟踪精度较高。跟踪精度较高。测控电路 第六章 信号转换电路99b.b.输出积分放大器反馈型输出积分放大器反馈型输出级不是一般的电压跟随器，而是积分放大器输出级不是一般的电压跟随器，而是积分放大器积分电容就是保持电容积分电容就是保持电容测控电路 第六章 信号转换电路1010单片集成采样保持电路测控电路 第六章 信号转换电路1111第二节第二节 电压比较电路电压比较电路一、电压比较电路二、滞回比较电路三、窗口比较电路测控电路 第六章 信号转换电路1212一、电压比较电路 比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？（1 1）比较器的一个重要指标是它的响应时间，它一般）比较器的一个重要指标是它的响应时间，它一般低于低于10-20ns10-20ns。响应时间与放大器的上升速率和增益。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。高响应速度。（2 2）当在比较器后面连接数字电路时，专用集成比较）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。它的高，彽输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。测控电路 第六章 信号转换电路1313 一一 电平比较电路（单阈值比较器）电平比较电路（单阈值比较器）（a）差动比较电路）差动比较电路模拟电压比较电路是用来鉴别和比较两个模拟输入模拟电压比较电路是用来鉴别和比较两个模拟输入电压大小的电路电压大小的电路 UiUR时，时，UO=0(逻辑低电平）逻辑低电平）测控电路 第六章 信号转换电路1414UiUR时，时，UO=1(逻辑低电平）逻辑低电平）测控电路 第六章 信号转换电路15151.由于比较器本身有失调电压由于比较器本身有失调电压UOS,基准电平实际为基准电平实际为UR+UOS,这实际降低了比较器灵敏度。这实际降低了比较器灵敏度。2.当当UR=0时，便是鉴零器或称过零器，此时时，便是鉴零器或称过零器，此时UOS就是比较器的分辨力。就是比较器的分辨力。注意注意测控电路 第六章 信号转换电路1616（b）求和比较电路）求和比较电路（阈值可变）（阈值可变）这种比较器的比较点电压这种比较器的比较点电压不仅与不仅与U U有关，而且与电有关，而且与电阻阻R1R1和和R2R2的比值有关，这的比值有关，这给比较点电压的选择带来给比较点电压的选择带来方便方便 测控电路 第六章 信号转换电路1717时，UO=0，欲使比较器翻转，则U正向减小，或Ui负向减小时，UO=1，欲使比较器翻转，则U正向加大，或Ui负向加大 总之，当两个模拟信号从不同方向满足 时，比较器输出翻转。因此这种比较器适用于两个极性相反变化的模拟信号。测控电路 第六章 信号转换电路1818对于缓慢变化的信号UiUR,UOUT=“0”;Ui0,UcU2,测控电路 第六章 信号转换电路23231、积分器充电过程的输出电压2、放电过程测控电路 第六章 信号转换电路24243、充放电周期4、忽略放电时间测控电路 第六章 信号转换电路2525上述简单压频变换器的精度和动态范围受到限制的根上述简单压频变换器的精度和动态范围受到限制的根本原因在于复位电路具有非线性，虽然可采取适当方本原因在于复位电路具有非线性，虽然可采取适当方法进行补偿，但补偿总是不完全的或者适用范围很狭法进行补偿，但补偿总是不完全的或者适用范围很狭窄。因此对于这类简单电路，提高精度的主要措施时窄。因此对于这类简单电路，提高精度的主要措施时缩小复位时间。若要使非线性误差从缩小复位时间。若要使非线性误差从1提高一个数提高一个数量级，达到量级，达到0.01%，则复位时间必须减小到最小信号，则复位时间必须减小到最小信号周期的周期的0。01以下。当额定工作频率为以下。当额定工作频率为10KHZ时，时，信号的最小周期为信号的最小周期为0.1ms,这样，复位时间必须小于这样，复位时间必须小于0.01US，简单变换电路通常很难满足这个要求。因此，简单变换电路通常很难满足这个要求。因此，必须改进复位电路，限制它的非线性影响。最常用的必须改进复位电路，限制它的非线性影响。最常用的方法时电荷平衡法，而集成压频变换器几乎都是按方法时电荷平衡法，而集成压频变换器几乎都是按这种方案设计的。利用这种方法，可以得到精度很高，这种方案设计的。利用这种方法，可以得到精度很高，动态范围很宽的压频变换器。动态范围很宽的压频变换器。测控电路 第六章 信号转换电路2626电荷平衡型复位电路由定时电路、恒流源Ij和二极管D1,D2组成，复位电路的工作由比较器A2控制，每当比较器的输出从高电位变到低电位时，定时电路就输出一个脉宽固定为Ti的负脉冲，使D2截止，D1导通，可见，比较器的输出每变换一次状态，复位电路从积分电容上取走一份固定的电荷量IjTj。测控电路 第六章 信号转换电路2727电荷平衡型输入电流If 加入后，积分器A1负向积分，当A1输出电压下降到单限比较器A2的门限电位-EM时，A2的输出从高电位变成低电位，于是复位电路从积分电容CF上取走一固定电荷量IJTJ，因为IJ总大于IF所以在定时电路输出负脉冲期间，积分器A1正向积分，直到定时电路恢复原状，又开始下一周期，显然在一个周期中，积分电容得到的电荷量于放出的电荷量应相等，即：IF.TSC=IJ.TJ所以，输出脉冲频率可表示为 fsc=1/Tsc=If/Ij*Tj优点：（1）利用电荷平衡法，输出脉冲频率与输入电流有精密的线性关系。这种方案可使非线性误差降到0。005以下，这是因为这种方案与简单压频变换器不同，它在复位电路中采用了两个精密部件定时电路和恒流源，这就是放电电荷与输入信号无关，始终为定值，提高了变换电路的线性度。（2）易于集成化，通常将积分器，比较器，定时电路，恒流源和缓冲极集成在一块硅片上，应用时外加少量元件，就能调节比较器的门限电位，定时电路的输出脉宽和恒流源的输出电流，从而提高了这类器件的适应能力。测控电路 第六章 信号转换电路2828集成V/F转换器测控电路 第六章 信号转换电路2929集成V/F转换器2/3U1.9V参考电压测控电路 第六章 信号转换电路3030测控电路 第六章 信号转换电路3131f/Vf/V转换电路转换电路通用通用f/V f/V 转换电路转换电路 uoOc)ustttOOb)a)Usuo放大与电放大与电平鉴别器平鉴别器单稳态单稳态触发器触发器 低通低通滤波器滤波器usUsUs电平比较器，电平比较器，单稳态触发器单稳态触发器低通滤波器低通滤波器包括三个部分：包括三个部分：测控电路 第六章 信号转换电路3232测控电路 第六章 信号转换电路3333 Tw 0V 0V u2 uN uP Um UH UL 66RRRE+UH 0V 0V 0V ui u1 u2 UZ（扩展）测控电路 第六章 信号转换电路3434测控电路 第六章 信号转换电路3535单稳态触发器的工作特点：具有一个稳态和一个暂稳态两种工作状态。在外加触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态。在暂稳态维持一定时间后，再自动返回稳态。暂稳态维持时间的长短取决于电路的参数。测控电路 第六章 信号转换电路3636单稳态触发器的应用单稳态触发器是一种脉冲整形电路，多用于脉冲波形的整形、延时和定时。1.脉冲整形对于幅度和宽度都不规则的脉冲信号，只要这些脉冲的幅度都大于单稳态触发器的触发电平，则经过单稳态触发器可以将不规则的脉冲波形变成幅度和宽度都相同的脉冲波形。2.用于定时：利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高、低电平去控制某个电路定时工作。3.用于延时测控电路 第六章 信号转换电路3737利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高电平去控制与门的开测控电路 第六章 信号转换电路3838 3.延时：在一个脉冲信号到达后，延迟一段时间再产生一个脉冲，以控制两个相继进行的操作。延时 脉冲形成测控电路 第六章 信号转换电路3939f/V转换电路集成f/V转换器稳态：Q=0暂稳态：Q=1暂稳态持续时间由Rt,Ct充电时间决定。暂稳态时，IS对RL,CL充电测控电路 第六章 信号转换电路40406.5 电压电流转换电路原因：标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。电压：15V，电流：420mA在标准信号和非标准信号之间，不同标准信号之间要进行相互转换。例子：1、远程传输中的电压电流转换 2、电流数字测量中的电流电压转换测控电路 第六章 信号转换电路4141转换要求：转换要求：1、I/V低输入阻抗，输入阻抗，低输出阻抗输出阻抗2、V/I 高高输入阻抗，高高输出阻抗测控电路 第六章 信号转换电路42426.5.1 I/V转换器要求：运放的共模抑制比较高测控电路 第六章 信号转换电路4343例：将010mA的输入电流转换为010V输出电压测控电路 第六章 信号转换电路4444420mA/05V转换电路测控电路 第六章 信号转换电路4545V/I转换电路测控电路 第六章 信号转换电路4646测控电路 第六章 信号转换电路4747信号转换电路信号转换电路模拟数字转换电路模拟数字转换电路测控电路 第六章 信号转换电路4848ADAD转换电路和转换电路和DADA转换电路的基础转换电路的基础理解定义和内容理解定义和内容1 1 分辨率：对应一个数字输出的模拟输入分辨率：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。通常用能分别的电压范围叫做分辨率。通常用LSBLSB（Least Significant Bit)Least Significant Bit)表示。表示。测控电路 第六章 信号转换电路4949ADAD转换电路和转换电路和DADA转换电路的基础转换电路的基础理解定义和内容理解定义和内容2 量化和量化误差：量化和量化误差：将幅度连续取值的模拟信号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。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，最大误差可达到似于四舍五入产生的误差，最大误差可达到1LSB的的1/2。此误差叫做量化误差。此误差叫做量化误差。测控电路 第六章 信号转换电路5050ADAD转换电路和转换电路和DADA转换电路的基础转换电路的基础理解定义和内容理解定义和内容2 2 量化和量化误差：量化和量化误差：测控电路 第六章 信号转换电路5151ADAD转换电路和转换电路和DADA转换电路的基础转换电路的基础理解定义和内容理解定义和内容3 精度：精度：理想的理想的ADC是指不含量化误差以是指不含量化误差以外的误差，但实际上由于使用的元件和外的误差，但实际上由于使用的元件和噪声等产生各种误差。精度是表示所含噪声等产生各种误差。精度是表示所含误差的比例，用刻度的百分比或误差的比例，用刻度的百分比或PPM表表示。精度分为绝对精度和相对精度。示。精度分为绝对精度和相对精度。测控电路 第六章 信号转换电路5252ADAD转换器转换器A/DA/D转换器的基本原理转换器的基本原理1 1 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器测控电路 第六章 信号转换电路5353ADAD转换器转换器A/DA/D转换器的基本原理转换器的基本原理2 2 逐次逼进式逐次逼进式A/DA/D转换器转换器测控电路 第六章 信号转换电路5454ADAD转换器转换器A/DA/D转换器的基本原理转换器的基本原理3 3 并行比较式并行比较式A/DA/D转换器转换器测控电路 第六章 信号转换电路5555ADAD转换器转换器集成集成A/D转换器转换器ADC0809测控电路 第六章 信号转换电路5656ADAD转换器转换器集成集成A/D转换器转换器ADC0809测控电路 第六章 信号转换电路5757DADA转换器转换器D/A转换器的转换特性转换器的转换特性对n位D/A转换器 ，设其输入是n位二进制数字输入信号Din(d1,dn),Din=d1x2-1+dnx2-n如果D/A转换器的基准电压位UR,则理想D/A转换器的输出电压U0可表示为U0=UR*Din测控电路 第六章 信号转换电路5858DADA转换器转换器D/A转换器结构及原理转换器结构及原理单片D/A转换器的基本组成包括基准电压源，电阻解码网络，电子开关阵列和相加运算放大器四部分组成。1 加权电阻网络电路测控电路 第六章 信号转换电路5959DADA转换器转换器D/A转换器结构及原理转换器结构及原理1 R-2R梯形电阻网络测控电路 第六章 信号转换电路6060DADA转换器转换器集成集成D/A转换器转换器测控电路 第六章 信号转换电路6161AD-DAAD-DA转换器实例仿真转换器实例仿真有一模数数模转换电路如图，试根据不同转换频率，仿真该电路REF1=REF2=10VIn 10sin4t1E9测控电路 第六章 信号转换电路6262A/D-D/A 仿真（采样频率 100Hz)测控电路 第六章 信号转换电路6363A/D-D/A 仿真（采样频率 500Hz)