《测控电路》PPT课件.ppt

第六章 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,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电量之间的转换从电量到物理量的转换信号转换电路用于将各类型的信号进行转换。使具有不同输入、输出的器件可以联用。应考虑：转换电路应具有线性特性。阻抗的匹配。,第一节 采样保持电路,采样/保持电路：具有采集某一瞬间的模拟输入信号，并保持其值的功能。在采样状态下：电路的输出跟踪输入模拟信号。在保持状态下：电路的输出保持采样结束时刻的瞬时模拟输入信号，直至进入下一次采样状态为止。一般应用：信号的采集，自动补偿直流放大器的失调和漂移。瞬态变量的测量等。,第一节 采样保持电路,一、基本原理组成：模拟开关模拟信号存储电容缓冲放大器,Uc=1，S闭合：uo=ui,输出跟随输入变化。并 向电容C充电。Uc=0，S断开：uo保持断开瞬间的输入信号。,第一节 采样保持电路,第一节 采样保持电路,捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，直到输出信号稳定地跟踪上输入信号 为止，所需的时间定义为捕捉时间关断时间：从发出保持指令地时刻起，直到输出信号稳定下来为止，所需的 时间定义为关断时间。,捕捉时间长，电路的跟踪特性差，关断时间长，电路的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。,一、基本原理,输入放大器N1：具有优良转换速率和稳定驱动电容负载能力。它对ui为高输入电阻，并为开关S和电容C提供极低的输出电阻。使电容C在S闭合时进可能快速充电，及时跟踪输入ui。输出放大器N2：跟随器。其输入级由MOS场效应管组成。以得到极低的输入偏置电流，它以极高的输入电阻使电容C和负载隔离，实现保持功能。为了使所采集的信号能够正确反映输入模拟信号，除保证采样/保持器精度要求外，还必须符合采样定理。采样过程：当模拟信号ui=f(t)通过一个受采样脉冲信号fs(t)控制的开关电路时，开关输出端的信号是时间离散信号。不难看出，采样脉冲的重复周期Ts愈小，采样时间间隔愈短，获得的离散信号亦愈多。,第一节 采样保持电路,从离散信号中恢复原信号的必要条件是:若被采样的信号f(t)的最高频率为fmax，为了复现该波形，必须要求采样间隔小于1/(2fmax).也就是说采样频率fs大于模拟信号中最高频率的2倍，这便是采样定理的要求。,第一节 采样保持电路,采样定理 采样频率fs应大于模拟信号最高频率fmax的两倍。,一、基本原理,对采样保持电路的主要要求：精度速度为提高实际电路的精度和速度，可从元件和电路两方面着手解决。,元件性能的影响和要求,输入输出缓冲器,特别需注意的参数：输入偏置电流以及带宽，上升速率和最大输出电流等性能参数。,元件性能的影响和要求,模拟开关 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,元件性能的影响和要求,模拟开关的分类 按切换的对象分：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Vx有关，而且通过开关的电流则与负载RL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Ix相等，而且换接的电压则由RL*Ix决定。,元件性能的影响和要求,模拟开关的分类 按切换对象使用元件：机械触点式和电子式开关机械触点式：干簧继电器，水银继电器及机械振子继电器等。电子式开关：二极管、双极性晶体管、场效应晶体管、光耦合器件及集成模拟开关等。,元件性能的影响和要求,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Ron和Roff,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和开关截止延迟时间Toff,通常TonToff,理想模拟开关时Ton0，Toff0,元件性能的影响和要求,模拟开关的性能参数 为了得到高质量的采样保持电路，场效应模拟开关的速度应快，极间电容，夹断电压或开启电压，导通电阻和反向漏电流等参数都应小。,CD4051多路模拟开关,CD4051多路模拟开关,元件性能的影响和要求,存储电容 选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容器，如聚苯乙烯，钽电容和聚碳酸脂电容器等。原因：当电路从采样转到保持，介质的吸附效应会使电容器上的电压下降，被保持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，峰值检波器复位时，电容放电，介质吸附效应会使放电后的电容电压回升，引起小信号峰值的检波误差。电容器的泄漏电阻引起电容上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持精度。,什么是电容的吸附效应？,在实际电容器中，电容器介质的偶极子及其界面极化的形成和消失都不可能瞬时实现，往往需要一定的时间，因而使电介质常数随信号频率和环境温度变化，不能似为常数实际电容器的仿真模型如右图所示，图中C为理想电容值，R0为电容器的泄漏电阻，其余的阻容网络为则为介质吸附效应的仿真。,什么是电容的吸附效应？,实验分析表明，阻容电路的时间常数相差很大，可从几十毫秒到几十秒。（1）T充电时间MAX(T阻容电路)切断充电（2）T充电时间MAX(T阻容电路)切断电源将电容器短路，且 T短路时间（35）MAX(T阻容电路).,第一节 采样保持电路,二、采样保持实用电路（1）模拟开关漏电流的旁路,通过减小模拟开关漏电流对存储电容的影响来提高保持精度的。,V为主开关，V1为隔离开关,当控制电压Uc为高电平时，V和V1导通，电路处于采样阶段当控制电压Uc为低电平时，V和V1关断，电路处于保持阶段,在保持状态下，V的漏电流通过R流入运算放大器的输出端。由于该漏电流在R上形成的压降很小，一般低于10mV，所以V1的漏极与衬底间的电压很小。同样，V1源极与衬底之间的电压为运算放大器两输入端的电压差(即失调电压)，也是很小的。在这种条件下，V1的漏电流大约减小两个数量级。,可见采用V1后能将V与存储电容C隔离，一方面使V的漏电流不流经存储电容，另一方面又有效地降低了V1的漏流，从而提高了存储电容的保持精度。,二、采样保持实用电路,（2）电容校正方法应用补偿电容C1来减小开关漏电流及运算放大器偏置电流的影响。,二、采样保持实用电路,当Uc为高电平时：VD1使V1的UGS1UP1(夹断电压)，开关V1断开，这时VD2反偏使V的UGS=OV，开关V导通，从而使V2也导通，导通电阻分别为Ron和Ron2，电路处于采样状态，等效电路如图。,二、采样保持实用电路,当Uc为高电平时：,N1、N2和R1构成负反馈电路，N2用作跟随器，使uo=ui。由于主模拟开关V处于闭环回路中，所以其导通电阻Ron以及N2的失调和漂移对精度的影响均大大地削弱。可见电路有很高的采样精度。存储电容C和反馈校正电容C1都引入时间常数，限制了电路的工作速度。,等效电路如图。,二、采样保持实用电路,当Uc为低电平时：V和V2截止，V1导通，电路处于保持状态，等效电路如图所示,二、采样保持实用电路,当Uc为低电平时：,等效电路,V1导通使N1继续处于负反馈闭环状态，避免N1处于开环而进入深度饱和状态，以缩短S/H电路从保持状态到采样状态的过渡时间。由于V和V2为对称管，两管的泄漏电流值相等，且反馈补偿电容C1=C，因而开关管泄漏电流、N2的偏置电流将在C1、C上产生数值相同的电压变化量，而且两电容电压的变化对输出电压uo的影响刚好相反，互相抵消，使输出电压基本不变。采用补偿电容措施，大约使保持精度提高一个数量级。,（3）高速S/H电路,用开环式采样/保持电路方案，选用高速元件，并通过扩增驱动电流来减小存储电容的充电时间。,（3）高速S/H电路,在采样期间，Uc为正，V与V2导通，V1截止。V1的导通将使V和C置于N1的闭环回路中，C上的电压将等于输入电压而不受V的导通电阻的影响，另外，由于N1反相端的偏置电流和V1的漏电流都很小，V2导通电阻的压降极小，故其影响可以略去不计，所以C上的电压仍能非常精确地等于N1反相端的电压。但与图6-1-10相比，由于N2未在反馈回路中，虽然N2使电路工作速度得以提高，但它的漂移和共模误差在采样期间得不到校正，会使采样误差增大。在保持期，V、V2截止。除了V外，V2也将产生漏电流。所以保持精度也比图6-1-10的差。由此可见，这个电路的速度提高是靠牺牲精度换来的。,（4）集成采样-保持电路AD582,（4）集成采样-保持电路AD582,两级运算放大器N1和N2，模拟开关S，门控制电路DG 应用时，引脚3和4之间外接1OOk电位器用以失调调零，引脚6外接保持电容C：，其大小与采样频率和精度有关引脚12输入控制信号Uc。图中，AD582的采样-保持输出信号送入A/D转换器AD571的模拟量输入端，AD571的状态输出端与AD582的控制信号输入端相连接。A/D转换器启动后，状态输出端为低电平，控制AD582内的开关S断开，AD582处于保持状态，当A/D转换器对模拟输入量的转换过程结束时，状态输出端立即变为高电平，使AD582内的开关S闭合，使之又处于采样状态。,第二节 电压比较电路,模拟电压比较电路是用来鉴别和比较两个模拟输入电压大小的电路。比较器的输出反映两个输入量之间相对大小的关系，其符号和理想比较器特性如图,当uiUR时，比较器输出逻辑0电平。当ui=UR时，是输出发生变化的临界点。可用器件：（1）通用运放。（2）专用比较器。,比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？,（1）比较器的一个重要指标是它的响应时间，它一般低于10-20ns。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高响应速度。（2）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，但对通用运算放大器而言，必须对输出电压采取嵌位措施，使它的高，低输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。,一、电平比较电路,1、差动型电平比较电路门限电平UR也称基准电 压当UR=0时，称过零比较电路，又称鉴零器。,一、电平比较电路,1、差动型电平比较电路门限电平UR接至比较器的一个输入端，待比较的输入电压接比较器的另一个输入端，若将UR与ui对调，则传输特性相反。由于比较器本身有失调电压uos，若要比较电路检测毫伏级的微弱信号，必须根据uos的极性，事先在UR中消除这个uos值。当UR=O时，称过零比较电路，又称鉴零器。,2、求和型电平比较电路,输入电压ui 和UR均加在运算放大器的反相端，因相加点的电位始终接近于零电位，所以不会造成共模误差。,门限电平UR为:,2、求和型电平比较电路,电路特点：门限电压不 仅与U有关，而且与电阻R1与R2的比值有关，门限电压选择灵活。输出的高、低电平分别为运算放大器的正、负饱和电位，加入箝位电路，可输出所要求的 逻辑电平。对于缓慢变化的输入信号，当其接近于门限电平时，叠加在它上的干扰信号un会使 比较器产生误翻转，“振铃”现象，如图。为克服比 较器的振铃现象，可采用滞回比较 路。,2、求和型电平比较电路,二、滞回比较电路,从电路的输出端至运算放大器同相输入端之间引入一个正反馈，就构成滞回比较器,二、滞回比较电路,设比较器输出高电平、低电平UoH、UoL，两个门限电压U1和U2分别为:,U1和U2的差值U称为滞后电平，其值为：,二、滞回比较电路,滞后电压可用R1或R2来调节，合理选择其大小，使之稍大于预计 的干扰信号，就可消除上述“振铃”现象，从而大大提高抗干扰能力。但加宽输入转换区，就不可能规定很窄的比较电平，使检测误差加大，所以U不宜取 得过大。滞回比较器也常用于：把积分延时波形变换成快速上升方波，或 把慢速变化（如正弦波等）信号整形为快速变化的脉冲性方波，有时为了消除过渡电平中干扰的影响，也用它作整形电路。,三、窗口比较电路,判断ui是否在两个电平之间，需采用窗口比较电路,三、窗口比较电路,它由两个电压比较器和一个与非门构成。图中，电源E和稳压管Vs及电阻R1、R2和Rp构成基准电压电路。下限比较器N2 反相输入端的基准电压为:UR2=E-Uz上限比较器N1同相输入端的基准电压为:UR1=当uiUR1时:U01=0,U02=1，则U0=1。窗口的位置由URl、UR2决定，窗口的 宽度:U=UR1-UR2=KUZ，取决于R1和Rp的分压系数K。窗口比较电路的用途很广，如在产品的自动分选、质量鉴别等场合均用到它。,第三节 电压频率转换电路,一、V/f 转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号，输出信号频率与输入信号电压值成比例，故又称为电压控制(压控)振荡器(VCO)。应用：在调频，锁相和A/D变换等许多技术领域得到非常广泛的应用。,1、用通用运放组成V/f转换电路,电路主要包括积分器、比较器和积分复原开关等。,1、用通用运放组成V/f转换电路,电路主要包括积分器、比较器和积分复原开关等。,1、用通用运放组成V/f转换电路,由N2、R5-R8组成的滞回比较器的正相输入端两个门限电平为：,Uz:输出限幅电压，其大小由稳压管VS2和VS3的稳压值所决定。,N1组成的积分器输出uc为零。由比较器特性可知,此时:比较器输出uo为负向限幅电压-Uz，开关管V截止，比较器同相端电压up为负向门限电 平U2,当输入信号ui=0时，,积分器输出电压uc负向增加，ucU2时，比较器输出uo由负 向限幅电压突变为正向限幅电压，开关管V由截止变为导通，致使积分电容C通过 R3放电，积分器输出迅速回升。,当输入信号ui0时，,同时，uo通过正反馈电路使比较器同相端电压up突变为U1，从而锁住比较器的输 出状态不随积分器输出回升而立即翻转。,当输入信号ui0时，,当积分器输出回升到ucU1时，比较器输出又由正向限幅电压突变为负向限幅电压，V又处于截止状态，同时up恢复为U2，积分器重新开始积分。,当输入信号ui0时，,1、用通用运放组成V/f转换电路,积分器输出一串负向锯齿波电压，比较器输出相应频率的矩形脉冲序列，各级输出波形如图。,1、用通用运放组成V/f转换电路,1、用通用运放组成V/f转换电路,输入电压越大，积分电 容C充电电流及锯齿波电压的斜率就越大，因此每次达到负向门限电压Uz的 时间也越短，输出脉冲的频率就越高。,令充电持续时间为T1，则有:,积分器在充电过程的输出电压为:,对于放电过程，放电电流是个变数，其平均值为:,rce:晶体管V的集电结ce结电阻。,放电持续时间T2为:,充放电周期为:,周期T包括两项:第一项由输入电压对电容C的充电过程决定，f-V关系是线性的;第二项为一常数，它的大小由C的放电过程决定，是给f-V关系带来非线性的因素。为提高V/f转换的线性度，要求:,在上述条件下，放电时间可以忽略，输出脉冲的频率为:,2、集成V/f转换器,优点:精度高、线性度高、温度系数低、功耗低及动态范围宽等一系列优点，广泛应用于数据采集、自动控制和数字化及智能化测量仪器中。,集成V/F转换器,集成V/F转换器,二、f/V转换电路,把频率变化信号线性地转换成电压变化信号的转换器称为f/V转换器。主要包括电平比较器、单稳态触发器和低通滤波器三部分。输入信号ui通过比较器转换成快速上升/下降的方波信号去触发单稳态触发器，产生定宽(Tw)、定幅度(Um)的输出脉冲序列。将此脉冲序列经低通滤波器平滑，可得到比例于输入信号频率fi的输出电压:uo=TwUmfi,1、通用运放f/V转换电路,N1构成滞后比 较器，N2构成单稳态电 路，N3构成低通滤波器，,N1构成滞后比较器，输入有二极管VD1、VD2限幅保护 N1将输入信号转换成频率相同的方波信号，再经微分电容C1和二极管VD3把上升窄脉冲送至N2。,N2构成单稳态电 路，常态下其反相输入uN为负电位，使输出为高电平，V1、V2导通，这时u2为低电平。正触发脉冲使N2迅速翻转输出低电平，V1截止，u2上升 为高电平，它等于稳压管Vs的稳压值Um,uN保持高电平UH,如图b。同时V2截止，使C通过R充电，经过Tw时间，up上升到UH以上使N2再次翻转“复 位”，单稳过程结束。图b由u2输出定宽(Tw)、定幅度(Um)的脉冲，其占空比随输入频率的升高而增大。,1、通用运放f/V转换电路,由图a电路可得V1截止时N2反相输入端的电位：,根据RC电路瞬态过程的基本公式：,充电前：,充电时间无穷大时，,up()=E;,充电结束时,up(Tw)=UH。,计算出RC充电至UH所用的充电时间：,由N3构成低通滤波器，输出电压平均值是：,f/V转换电路,2、集成f/V转换电路,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,第四节 电压电流转换电路,在远距离监控系统中，必须把监控电压信号转换成电流信号进行传输，以减少传输导线阻抗对信号的影响。在进行信号转换时，为了保证一定的转换精度和较大的适应范围，要求I/V转换器有低的输入阻抗及输出阻抗，而V/I转换器有高的输入阻抗及输出阻抗。,一、I/V转换器,输入电流信号转换为与之成线性关系的输出电压信号。,要求电流源is的内阻Rs必须很大，否则，输入失调电 压将被放大(l+R1/Rs)倍，产生较大误差。而且，电流is需远大于运算放器输入偏置电流Ib。,一、I/V转换器,R1值根据电流输出器件(如传感器)对负载的要求确定，一般为几百欧姆数量级。当R1确定 后，可根据i与uo的范围决定R2及R3。,一、I/V转换器,微电流放大电路：在用光电池、光电二极管作检测元件时，由于它们的输出电阻很高，可把它们看作电流源，通常情况下其电流的数值极小，所以是一种微电流的测量。随着激光、光纤技术在精密测量仪器中的普及应用，微电流放大器越来越占有重要的位置。图b所示电路可以用来作微电流放大器。由于运算放大器的开环输入电阻不是无穷大而是一个有限值，它本身的输入偏置电流Ib不为零，所以总是有误差存在。,一、I/V转换器,因此 为了获得高精度的微电流放大器，必须选用开环输入电阻高、Ib小的场效应晶体管输入型运算放大器。但这种运算放大器的Ib随温度上升而成倍增加。,采用T形网络电路组成的微电流放大电路有时也能取得较好的效果，以反相输入型为例，其原理如图,一、I/V转换器,由上式可知，可以采用较小的R1和R3的阻值，仍能满足一定放大倍数的要求。,在理想情况下有:,二、V/I转换器,不仅要求输出电流与输入电压具有线性关系，而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不超过允许值，即转换器具有恒流性能。,V1构成倒相放大级V2构成电流输出级Ub为偏置电压，并以进行零位平移。由于电路采用电流并联负反馈 因此具有较好的恒流性能。,利用叠加原理，可求出在ui、Ub、输出电流io作用下，输出：考虑只有输入电压ui作用时，因R3RL,故有:,考虑只有输出电流io作用时:,如果运放开环增益及输入电阻足够大，则有:,取R1=R2,R3=R4，则:,在Ub作用下，因R4R7+RL:,END,