测控电路第5版_ch6信号转换电路

1、已经讲授的主要内容：已经讲授的主要内容： 第一章绪论 第二章信号放大电路 第三章信号调制解调电路 第四章信号分离电路 第五章信号运算电路 第一章绪论 第二章信号放大电路 第三章信号调制解调电路 第四章信号分离电路 第五章信号运算电路 第第6章 信号转换电路章 信号转换电路 知识回顾：知识回顾： 1.对测控电路的主要要求有哪些？ 2.为什么说测控电路是测控系统中最灵活 的环节？ 1.对测控电路的主要要求有哪些？ 2.为什么说测控电路是测控系统中最灵活 的环节？ 第第6章 信号转换电路章 信号转换电路 测试电路的灵活性体现之一是它能方便地将各类 型的信号进行相互转换，使得各种不同输入输出器件 可以联用。 测试电路的灵活性体现之一是它能方便地将各类 型的信号进行相互转换，使得各种不同输入输出器件 可以联用。 在进行信号转换时需考虑以下几个问题：在进行信号转换时需考虑以下几个问题： 线性转换线性转换 较大的输入阻抗较大的输入阻抗 较大的驱动能力和动态范围较大的驱动能力和动态范围 具有一定的输入输出阻抗以与之相连的器件具有一定的输入输出阻抗以与之相连的器件 阻抗匹配阻抗匹配 信号转换电路分类信号

2、转换电路分类 从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：从信息形态变化的观点将各种转换分为三种： ?从自然界物理量到电量的转换：传感器从自然界物理量到电量的转换：传感器 ?电量之间的转换电量之间的转换: 转换电路转换电路 ?从电量到物理量的转换：执行机构从电量到物理量的转换：执行机构 第第6章 信号转换电路章 信号转换电路 第第6章 信号转换电路章 信号转换电路 本章主要内容：本章主要内容： 6.1 模拟开关模拟开关 6.2 采样保持器采样保持器 6.3 电压比较器电压比较器 6.4 电压频率转换电路电压频率转换电路 6.5 电压电流转换电路电压电流转换电路 6.1 模拟开关模拟开关 模拟开关是在测控电路中用于实现模拟信号通与断的 电子开关器件，它在多路选择、采样保持、开关电容、开 关电流和滤波器等电路中都有大量的应用。 模拟开关是在测控电路中用于实现模拟信号通与断的 电子开关器件，它在多路选择、采样保持、开关电容、开 关电流和滤波器等电路中都有大量的应用。 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。 控制电路 开关

3、元件 模拟信号输入 模拟信号输出 模拟信号输入 模拟信号输出 6.1 模拟开关模拟开关 6.1.1. 模拟开关的分类 按切换的对象分：电压和电流开关电压和电流开关 电压模拟开关的特点是：当开关断开时，跨 于它两端的电压总与被换接的电压 电压模拟开关的特点是：当开关断开时，跨 于它两端的电压总与被换接的电压Vx有关，而且 通过开关的电流与负载 有关，而且 通过开关的电流与负载RL有关。 电流模拟开关的特点是：不管负载电阻 有关。 电流模拟开关的特点是：不管负载电阻RL的 大小如何，流过开关的电流总是和被换接的电流 的 大小如何，流过开关的电流总是和被换接的电流 Ix相等，而且换接的电压由相等，而且换接的电压由RL*Ix决定。决定。 6.1 模拟开关模拟开关 电压和电流开关 VX VKRL IKRL Ix (a) 电压开关(b) 电流开关 - + R1 R2 +VR V0V0 - + R1 R2 +VR i uRL i 与负载与负载RL有关有关 uRL与与ux有关有关 i=Ix，与，与RL无关无关 i uRL uRL=RL*Ix 按切换对象使用的元件：按切换对象使用的元件：机械触点式和电子

4、式开关 6.1 模拟开关模拟开关 模拟开关模拟开关 机械触点式机械触点式 干簧继电器干簧继电器 机械振子式继电器机械振子式继电器 电子式电子式 二极管二极管 双极型晶体管双极型晶体管 场效应管（场效应管（JFET、MOSFET） 集成模拟开关集成模拟开关 6.1 模拟开关模拟开关 6.1.2. 模拟开关的性能参数 静态特性：主要指开关导通和断开时输入 端与输出端之间的电阻R 静态特性：主要指开关导通和断开时输入 端与输出端之间的电阻Ron on和R 和Roff off,此外还有最大 开关电压、最大开关电流和驱动功耗等。 动态特性：开关动作延迟时间，包括开关 导通延迟时间T ,此外还有最大 开关电压、最大开关电流和驱动功耗等。 动态特性：开关动作延迟时间，包括开关 导通延迟时间Ton on和开关截止延迟时间T 和开关截止延迟时间Toff off, 通 常T , 通 常Ton onT Toff off, 理想模拟开关时T , 理想模拟开关时Ton on0，T 0，Toff off0 0 6.1.3. 增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型） D B S G uiuo uc i b) S B

5、D G uiuo uc i a) ui o Ron O ui 6.1 模拟开关模拟开关 图图6-2 N沟道沟道MOSFET的的Ronui特性 曲线 特性 曲线 图图6-1 N沟道沟道MOSFET开关原理电路开关原理电路 6.1.4. CMOS开关电路 ui uo uGP uGN +E -E ui o Ron Ron(C) Ron(N) Ron(P) ui O a) b) 6.1 模拟开关模拟开关 图图6-3 CMOS开关原理电路及其开关原理电路及其Ronui特性曲线特性曲线 CMOS开关电路 6.1 模拟开关模拟开关 u c ui + E 图 6-6 含 辅 助 电 路 的 CM O S 开 关 uo -E D2 DG 1 1 1 V3V 4 V3 V4 1 1 DG 2 u -E V2 V1 V5 + E 图图6-4 含辅助电路的含辅助电路的CMOS开关开关 6.1.5. 6.1.5. 多路模拟开关多路模拟开关 图图6-5 CD4051模拟多路开关模拟多路开关 023 567 输入/输出 A B C 输出/输入 6.1 模拟开关模拟开关 +E -E1 -E2 逻辑电平转换电路 8 选

6、 1 译 码 电 路 13141512 1524 16 11 10 9 6 8 7 INH S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 1 4 6.1.5. 6.1.5. 多路模拟开关多路模拟开关 模拟多路开关又称模拟 多路转换器，由地址译码器 和多路双向模拟开关组成。 根据外部地址输入信号经内 部地址译码器选通与地址译 码相应的模拟开关单元，从 模拟多路开关又称模拟 多路转换器，由地址译码器 和多路双向模拟开关组成。 根据外部地址输入信号经内 部地址译码器选通与地址译 码相应的模拟开关单元，从 N路模拟输入信号中选取某 一路传送到输出端，或把一 路模拟输入信号送到 路模拟输入信号中选取某 一路传送到输出端，或把一 路模拟输入信号送到N个输 出端中的某一端输出。 个输 出端中的某一端输出。 6.1 模拟开关模拟开关 6.1 模拟开关模拟开关 多路模拟开关多路模拟开关CD4051的应用的应用 CD4051作为量程切换的通道选择（反馈电阻选择作为量程切换的通道选择（反馈电阻选择) 的参考电路图的参考电路图 6.1 模拟开关模拟开关 CD4051是最常用的模拟开关。是最常用的模拟开关。C

7、D4051相当于一个单 刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的 相当于一个单 刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码位地址码ABC 来决定。其真值表见下图。来决定。其真值表见下图。 6.2 采样保持电路采样保持电路 采样保持采样保持(S/H)电路具有采集某一瞬间的模拟信号并按需 要保持且输出采集的电压数值的功能。 电路具有采集某一瞬间的模拟信号并按需 要保持且输出采集的电压数值的功能。 t0时刻时刻S闭合，闭合，C 被迅速充电，电路处 于 被迅速充电，电路处 于采样采样阶段。由于两 个放大器的增益都为 阶段。由于两 个放大器的增益都为 1，因此这一阶段，因此这一阶段uo跟 随 跟 随ui变化，即变化，即uoui。 t1时刻采样阶段结束，时刻采样阶段结束， S断开，电路处于断开，电路处于保持保持 阶段。阶段。 图图6-6 采样保持电路工作原理采样保持电路工作原理 O tTs ui,uo O t uo f(t) fs(t) a)电路工作原理 b)模拟信号采样 6.2.1. 基本原理基本原理 采样保持采样保持(S/H)电路的主要参数有扑捉时间、孔径时间、 下垂率等。电路的主要参数有

8、扑捉时间、孔径时间、 下垂率等。 扑捉时间扑捉时间：从发出采样指令时刻起，直到输出值达到规定的误差范围内 所需要的时间。扑捉时间长则电路跟踪性能差。 ：从发出采样指令时刻起，直到输出值达到规定的误差范围内 所需要的时间。扑捉时间长则电路跟踪性能差。 孔径时间孔径时间：从发出保持指令时刻起，直到开关真正断开为止需要的时间。 孔径时间长则电路停止采样响应差。 ：从发出保持指令时刻起，直到开关真正断开为止需要的时间。 孔径时间长则电路停止采样响应差。 下垂率下垂率：由于存储电容电荷的泄露所引起的输出电压的变化率。：由于存储电容电荷的泄露所引起的输出电压的变化率。 A/D转换器在对模拟量转换时，需要一定的转换时间，在此时间内输 入的模拟量是不确定的，会引起输出的不确定误差。 转换器在对模拟量转换时，需要一定的转换时间，在此时间内输 入的模拟量是不确定的，会引起输出的不确定误差。 6.2 采样保持电路采样保持电路 6.2.2 主要参数主要参数 6.2 采样保持电路采样保持电路 6.2.3 采样保持采样保持(S/H)电路的作用电路的作用 sin m uUt= cos2cos mm du UtfUt

9、 dt = 对正弦模拟信号对正弦模拟信号, 式中式中Um为正弦模拟信号的幅值，为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率 。为信号频率 。 假定假定A/DA/D转换器之前无采样保持器，在坐标的原点转换器之前无采样保持器，在坐标的原点 上，正弦信号的最大变化率为上，正弦信号的最大变化率为 2 m u fU t = 取t=tA/D，则得原点处转换的不确定电压为 A/D 2 m ufU t = 误差百分数 A/D 100% 2100% m u ft U = 6.2 采样保持电路采样保持电路 6.2.3 采样保持采样保持(S/H)电路的作用电路的作用 6.2 采样保持电路采样保持电路 由此可见，对于一定的转换时间由此可见，对于一定的转换时间tA/D，误差的百分数和 信号的频率呈正比。 ，误差的百分数和 信号的频率呈正比。 例如：例如：例如：一个例如：一个10位的位的A/D转换器（量化误差为转换器（量化误差为0.1%，即，即 1/1024），转换时间），转换时间tA/D为为10s，则允许转换的正弦波模拟 信号的最大频率为 ，则允许转换的正弦波模拟 信号的最大频率为 262 / 0.1 16Hz 2102 10 1010 A D f t = 此例表明，尽管信号频率不算高，但对此例表明，尽管信号频率不算高，但对A/D转换速度要求 太苛刻。解决的方法就是在 转换速度要求 太苛刻。解决的方法就是在A/D转换之前加采样转换之前加采样/保持器。保 证 保持器。保 证A/D转换在保持期间进行，以便有足够的时间完成。转换在保持期间进行，以便有足够的时间完成。 6.2.3 采样保持采样保持(S/H)电路的作用电路的作用 若使用一个采样时间为若使用一个采样时间为TAC、最大孔径时间为、最大孔径时间为TAP的采样 保持器和一个转换时间为 的采样 保持器和一个转换时间为TAD的的A/D转换器相连，按采样定理 要求，允许输入信号的最高频率为 转换器相连，按采样定理 要求，允许输入信号的最高频率为 单片集成采样保持器有通用型、高速型、高分辨率型及 低下降率型等。如通用型AD571、AD582、ICL7135等。 单片集成采样保持器有通用型、高速型、高分辨率型及 低下降率型等。如通用型AD5

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