测控技术与仪器信号转换电路.ppt
第五章 信号转换电路,从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：1.从自然界物理量到电量的转换2.电量之间的转换3.从电量到物理量的转换本章主要学习第二类信号转换电参量之间的转换。,第一节 采样保持电路,基本性质,作用：采集某一瞬间的模拟输入信号，根据需要保持并输出所采集到的电压值。,采样保持电路的组成和工作原理,采样保持电路组成：模拟开关、存储电容、缓冲放大器,采样定理：采样频率至少应该大于模拟信号最高频率 的两倍。（710）,从频谱分析的角度：采样得到的离散信号是模拟信号与采样脉冲相乘的结果，而周期采样信号可用傅里叶级数表示为：,则输出为：,第二项可写成：,从右图可以看出：只要离散的频谱不重叠，就可以采用低通滤波器取出fmax以下的频谱，近而复现（还原）原输入信号。,采样保持电路的主要参数,对采样保持电路的主要要求：精度和速度主要参数：捕捉时间、孔径时间、下垂率捕捉时间：从发出采样指令时刻起，直至输出值达到规定的误差范围以内所需要的时间。（长则追踪能力差）孔径时间：从发出保持指令时刻起，直至开关真正断开为止所需要的时间。（长则停止采样响应能力差）下垂率：由于存贮电容的电荷泄露所引起的输出电压的变化率。（输出放大器的输入偏置电流是一重要因素）,一 电平比较电路（单阈值比较器）（a）差动比较电路（UR为零时则为过零比较器-鉴零器）,第二节 电压比较电路,作用：用来鉴别和比较两个模拟输入电压大小。,后加钳位电路可构成一种最简单的模数转换器，是模拟电路和数字电路的桥梁。,利用通用运放可构成比较器，但其相应时间一般较长。而比较器的一个重要指标是它的响应时间，一般要求低于10-20ns。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钳位措施，使它的高，彽输出电位满足数字电路逻辑电平的要求，同时减小正负饱和跳变的时间。主要区别在运放内的输出级电路：普通运放：输出级输出阻抗小，带负载能力强集成比较器：输出级一般集电极开路结构以保证逻辑电平输出。,（b）求和比较电路（阈值可变比较电路）优点：阈值可变 缺点：振铃现象 对于差动型比较电路同 样存在此缺点。,#,二 滞回比较电路（正反馈阈值）两个阈值：,单方向单阈值,滞后电平：,滞回比较电路的应用,1.选择合适的滞后电平，可消除“振铃”现象；2.可将积分延时波形变成快速上升的方波；3.将慢速变化的正、余弦波变成脉冲型方波；4.消除过渡电平中干扰的影响，对波形进行整形。,消除振铃现象示意图,三 窗口比较电路,单方向多个阈值，可用来检测输入信号是否在某两个电平之间。,第三节电压频率转换电路,V/f 转换器定义：V/f(电压/频率)转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号，即它的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，调相、A/D变换等许多技术领域得到非常广泛的应用。指标：额定工作频率和动态范围，灵敏度或变换系数，非线性误差，灵敏度误差和温度系数等,（一）积分复原型V/f转换电路 组成：积分器、比较器和积分复原开关等,充电过程中：,充电时间：,放电过程中电流的平均值：,放电时间：,充放电的周期为：,周期中包含两部分，其中第二部分为常数项与输入电压无关，这将给f-V的关系带来非线性，为提高线性度，要求：,在该条件下，可将放电时间忽略，而周期主要取决于充电时间T1，因此，输出脉冲信号的频率为：,电荷平衡型V/f转换电路,集成V/F转换器,f/V转换电路,通用f/V 转换电路包括三个部分：电平比较器，单稳态触发器和彽通滤波器,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。,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,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,I/V转换电路,第四节 I/V和V/I转换电路,反相输入型,同相输入型,V/I转换电路,一、DA转换电路的基础,DA转换的主要技术指标：分辨率、精度、建立时间1 分辨率：当输入数字发生单位变化时，即LSB（Least Significant Bit)产生一次变化时，所对应模拟输出量的变化量。实际使用时，常用输入数字量的位数表示分辨率的高低。（如：10位的DA转换器）,第五节 模拟数字转换电路,2 精度：指加给定数字代码时，测得的实际模拟输出量和对应这个输入代码的理论模拟输出量之差。（影响因素：非线性、增益误差、失调误差等）3 建立时间：指输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围（通常为1/2LSB)所需要的时间，是描述DA转换快慢的一个重要参数。,D/A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),则输入信号可表示为：Din=d1x2-1+d2x2-2+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Uo可表示为：Uo=UR*Din=UR*(d1x2-1+d2x2-2+dnx2-n)满量程值为：（n足够大时，UFUR),3位DA转换器的理想转换特性,D/A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。,对应位为1时，开关接通通常不超过5位4位及倍数居多,1 加权电阻网 络电路,2 R-2R梯形电阻网络D/A转换器结构及原理,支路电流不变，转换速度快,二、AD转换电路基础,1 分辨率：指能分辨的输入模拟电压的最小变化值，常以输出二进制位数或BCD码位数表示。2 量化误差：由于ADC的有限分辨率而引起的误差，即有限数字对模拟数值进行离散取值（量化）而引起的误差。（理论上为一个单位分辨率，通常为1/2LSB）,AD转换器的主要技术指标：分辨率、量化误差、转换精度及转换时间,量化和量化误差：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，必然存在类似于四舍五入产生的误差，最大误差可达到1LSB的1/2。此误差叫做量化误差。,3 转换精度：理想的ADC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噪声等产生各种误差。转换精度反映了一个实际的A/D转换器在量化值与一个理想的A/D转换器进行模数转换的差值。可表示为绝对误差和相对误差。注意：转换精度中不包含量化误差，有时用非线性误差、零点误差、满量程误差等分项指标表示。,4 转换时间：转换时间是指完成一次从模拟到数字的转换所需要的时间，其倒数称为转换速率。也常用采样速率反映AD转换器的转换速率。（采样时间 转换时间 哪个长？）,模数转换需要三个阶段：采样、量化、编码。通常量化和编码同时完成，即：量化的过程实现编码。,2 量化和量化误差：,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的过程称为量化。用量化值去取代采样值，产生了量化误差。,A图，采样过程，应遵循采样定理。采样定理？,常见的A/D转换原理1 双积分式A/D转换器（双斜率A/D转换器）,工作过程两个阶段：采样,比较,2 逐次逼进式A/D转换器（二等分搜索A/D转换器）,从最高位（置1）开始比较，若UsUi，则保持当前位置1，否则置0。,进行n次比较就能进行n位的A/D转换，具有较高的转换速度。,3 并行比较式A/D转换器（闪速型、FLASH型）,将基准电压等分成2n份，利用2n-1个比较器同时将输入信号与这2n-1个电压进行比较，获得与二进制相对应的2n-1个状态，进行编码得到对应的数字量。,2位并行比较式A/D转换器结构及原理,优点：转换速度最高缺点：电路规模不能太大，价格高。,
