信號轉換電路第一節采樣保持電路信號轉換電路從信息形態變化的觀點將各種轉換分為三種：從自然界物理量到電量的轉換電量之間的轉換從電量到物理量的轉換采樣保持電路基本性質捕捉時間：從發出采樣指令的時刻起，直到輸出信號穩定地跟蹤上輸入信號為止，所需的時間定義為捕捉時間關斷時間：從發出保持指令地時刻起，直到輸出信號穩定下來為止，所需的時間定義為關斷時間。捕捉時間長，電路的跟蹤特性差，關斷時間長，電路的保持特性不好，它們限制了電路的工作速度。第一節采樣保持電路采樣保持電路的基本性質組成：模擬開關模擬信號存儲電容緩沖放大器第一節采樣保持電路

a)

O

t

Ts

ui

,uo

O

t

uo

f(t)

fs(t)

第一節采樣保持電路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)

采樣保持電路對采樣保持電路的主要要求：精度和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。元件性能的影響和要求輸入輸出緩沖器

特別需注意的參數：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。

S

Uc

uo

ui

C

∞

-

+

+

N1

∞

-

+

+

N2

元件性能的影響和要求模擬開關

模擬開關是一種在數字信號控制下將模擬信號接通或斷開的元件或電路。該開關由開關元件和控制（驅動）電路兩部分組成。控制電路開關元件元件性能的影響和要求模擬開關的分類

按切換的對象分：電壓和電流開關電壓模擬開關的特點是：當開關斷開時，跨于它兩端的電壓總與被換接的電壓Vx有關，而且通過開關的電流則與負載RL有關。電流模擬開關的特點是：不管負載電阻RL的大小如何，流過開關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。元件性能的影響和要求模擬開關的分類（電壓和電流開關）

VXVKRLIKRLIx(a)電壓開關(b)電流開關元件性能的影響和要求模擬開關的分類（電壓和電流開關）

￥-+R1R2+VRV0V0￥-+R1R2+VR元件性能的影響和要求模擬開關的分類

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：二極管、雙極性晶體管、場效應晶體管、光耦合器件及集成模擬開關等。元件性能的影響和要求模擬開關的性能參數

靜態特性：主要指開關導通和斷開時輸入端與輸出端之間的電阻Ron和Roff,此外還有最大開關電壓、最大開關電流和驅動功耗等。動態特性：開關動作延遲時間，包括開關導通延遲時間Ton和開關截止延遲時間Toff,通常Ton>Toff,理想模擬開關時Ton→0，Toff→0元件性能的影響和要求模擬開關的性能參數

為了得到高質量的采樣保持電路，場效應模擬開關的速度應快，極間電容，夾斷電壓或開啟電壓，導通電阻和反向漏電流等參數都應小。模擬開關增強型MOSFET開關電路（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

模擬開關CMOS開關電路

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CMOS開關電路

uc

ui

+E

圖6-6含輔助電路的CMOS開關電路

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

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

元件性能的影響和要求存儲電容

選用介質吸附效應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：當電路從采樣轉到保持，介質的吸附效應會使電容器上的電壓下降，被保持的電壓低于采樣轉保持瞬間的輸入電壓，峰值檢波器復位時，電容放電，介質吸附效應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？在實際電容器中，電容器介質的偶極子及其界面極化的形成和消失都不可能瞬時實現，往往需要一定的時間，因而使電介質常數隨信號頻率和環境溫度變化，不能似為常數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，其余的阻容網絡為則為介質吸附效應的仿真。1什么是電容的吸附效應？實驗分析表明，阻容電路的時間常數相差很大，可從幾十毫秒到幾十秒。（1）T充電時間《MAX(T阻容電路)

切斷充電（2）T充電時間》MAX(T阻容電路)切斷電源將電容器短路，且T短路時間《（3～5）MAX(T阻容電路).總結

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，選用介質吸附效應小的電容器，減小開關導通電阻等的影響。提高工作速度的措施是提高開關速度，減小開關極間電容的影響，選用上升速率和輸出電流大的運算放大器。精度提高的方法（電路）（1）模擬開關漏電流的旁路

Uc

∞

-

+

+

N

R

-E

V1

ui

C

uo

V

精度提高的方法（電路）（2）電容校正方法

uo

ui

C

V

Uc

VD1

VD2

V1

∞

-

+

+

N2

∞

-

+

+

N1

R1

C1

R3

R2

V2

C

uo

∞

-

+

+

N2

∞

-

+

+

N1

ui

R1

C1

Ron1

C

uo

∞

-

+

+

N2

∞

-

+

+

N1

ui

C1

Ron2

Ron

b)

精度提高的方法（電路）（2）電容校正方法的矛盾

精度

《》速度

C

uo

∞

-

+

+

N2

∞

-

+

+

N1

ui

C1

Ron2

Ron

b)

提高速度的方法（電路）減少反饋回路中的時間常數數目來提高速度

∞

-

+

+

N1

∞

-

+

+

N2

Uc

uo

C

ui

V1

R1

R2

V

V2

VD1

VD2

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

AD571

偏移調節

C

+5V

AD582

uo

ui

∞

-

+

+

N1

∞

-

+

+

N2

Uc

S

DG

#

總結模擬開關：要求模擬開關的導通電阻小，漏電流小，極間電容小和切換速度快。存儲電容：要選用介質吸附效應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、帶寬寬及轉換速率（上升速率）大的運算放大器；輸入運放還應具有大的輸出電流信號轉換電路(二)電壓比較電路電壓頻率轉換電路電壓比較電路比較器用通用運算放大器和專用集成比較器的區別？

（1）比較器的一個重要指標是它的響應時間，它一般低于10-20ns。響應時間與放大器的上升速率和增益-帶寬積有關。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速度。（2）當在比較器后面連接數字電路時，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，彽輸出電位滿足數字電路邏輯電平的要求。電壓比較電路一電平比較電路（單閾值比較器）（a）差動比較電路電壓比較電路一電平比較電路（b）求和比較電路（閾值可變）優點：閾值可變缺點：振零現象電壓比較電路二滯回比較電路（正反饋閾值）兩個閾值：單方向單閾值電壓比較電路三窗口比較電路

單方向多個閾值電壓頻率轉換電路V/f轉換器定義：V/f(電壓/頻率)轉換器能把輸入信號電壓轉換成相應的頻率信號，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)。應用：在調頻，鎖相和A/D變換等許多技術領域得到非常廣泛的應用。指標：額定工作頻率和動態范圍，靈敏度或變換系數，非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數等電壓頻率轉換電路積分復原型組成：積分器、比較器和積分復原開關等電壓頻率轉換電路電荷平衡型電壓頻率轉換電路電荷平衡型電壓頻率轉換電路集成V/F轉換器電壓頻率轉換電路集成V/F轉換器f/V轉換電路通用f/V

轉換電路包括三個部分：電平比較器，單穩態觸發器和彽通濾波器f/V轉換電路

Tw

0V

0V

u2

uN

uP

Um

UH

UL

66RRRE+

UH

0V

0V

0V

ui

u1

u2

UZ

（擴展）

單穩態觸發器的工作特點：

①具有一個穩態和一個暫穩態兩種工作狀態。②在外加觸發脈沖作用下，能從穩態翻轉到暫穩態。在暫穩態維持一定時間后，再自動返回穩態。③暫穩態維持時間的長短取決于電路的參數。

單穩態觸發器的應用單穩態觸發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則的脈沖信號，只要這些脈沖的幅度都大于單穩態觸發器的觸發電平，則經過單穩態觸發器可以將不規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：利用單穩態觸發器暫穩態期間輸出的高、低電平去控制某個電路定時工作。3.用于延時利用單穩態觸發器暫穩態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轉換電路集成f/V轉換器＃穩態：Q=0暫穩態：Q=1暫穩態持續時間由Rt,Ct充電時間決定。暫穩態時，IS對RL,CL充電信號轉換電路模擬數字轉換電路AD轉換電路和DA轉換電路的基礎理解定義和內容1分辨率：對應一個數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，數字輸出就會發生變化，這樣能分別的電壓范圍叫做分辨率。通常用LSB（LeastSignificantBit)表示。AD轉換電路和DA轉換電路的基礎理解定義和內容2量化和量化誤差：將幅度連續取值的模擬信號變為只能取有限個某一最小當量的整數倍數值的過程稱為量化。通過量化將連續量轉換成離散量，必然存在類似于四舍五入產生的誤差，最大誤差可達到1LSB的1/2。此誤差叫做量化誤差。AD轉換電路和DA轉換電路的基礎理解定義和內容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

對應編碼

'1F'2F'3F'4F'5F'6F'7F'8FAD轉換電路和DA轉換電路的基礎理解定義和內容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轉換器A/D轉換器的基本原理1雙積分式A/D轉換器

#

-1

+1

電子開關

計數器

控制邏輯

數據輸出

標準時鐘

R

C

Ui

UR

-UR

UC

∞

-

+

+

N

b)

UC

Ui1

Ui2

T1

t

O

'2T''2TAD轉換器A/D轉換器的基本原理2逐次逼進式A/D轉換器

比較器

D/A

轉換器

逐次逼近

寄

存

器

邏輯控制

電

路

輸出緩沖器

輸出允許

轉換結束

啟動

時鐘

Ui

US

Dn-1

D0

…

AD轉換器A/D轉換器的基本原理3并行比較式A/D轉換器

-1

+1

#

N1

-1

+1

#

-1

+1

#

N2

N3

≥1

&

1

Ui

d1

d0

3UR/4

UR/2

UR/4

AD轉換器集成A/D轉換器ADC0809

a)

8路

模擬

開關

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

轉換結束

8位數據輸出

三態輸

出鎖存

緩沖器

D0

D7

OE輸出允許

REF(+)

REF(-)

開關樹

GND

UCC

#

IN0

WR

…

AD轉換器集成A/D轉換器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轉換器D/A轉換器的轉換特性對n位D/A轉換器，設其輸入是n位二進制數字輸入信號Din(d1,…dn),Din=d1x2-1+…+dnx2-n如果D/A轉換器的基準電壓位UR,則理想D/A轉換器的輸出電壓U0可表示為U0=UR*DinDA轉換器D/A轉換器結構及原理單片D/A轉換器的基本組成包括基準電壓源，電阻解碼網絡，電子開關陣列和相加運算放大器四部分組成。1加權電阻網絡電路

UR

uo

S2

d2

dn

Sn

2R

4R

2n-1R

S3

d3

S1

d1

R

∞

-

+

+

N

I1

I2

I3

In

Io

R1

…

…

A

DA轉換器D/A轉換器結構及原理1R-2R梯形電阻網絡

UR

R

S1

S2

S3

R

A1

d1

d2

d3

(MSB)

2RI8R