第6章信號轉換電路作用：實現各種信號轉換，如S/H、V/f、V/I、A/D。■6.1模擬開關■6.2采樣保持電路■6.3電壓比較電路★■6.4電壓頻率轉換電路★■6.5電壓電流轉換電路★■6.6模擬數字轉換電路★從信息形態變化的觀點將各種轉換分為三種：（1）從自然界物理量到電信號的轉換——傳感器（2）電信號之間的轉換——轉換電路（3）從電信號到物理量的轉換——靜態標定第6章信號轉換電路6.1模擬開關■

主要參數導通電阻Ron：開關閉合時的電阻；截止電阻Roff：開關關斷時的電阻，主要由漏電引起；延遲時間：控制信號改變時對應產生的輸出延遲時間。■

開關電路類型增強型MOSFFT開關電路：N溝道增強型和CMOS型；集成模擬開關電路：在同一芯片上集成多個CMOS開關；多路模擬開關電路：由地址譯碼器和多路模擬開關組成。6.2采樣保持電路■作用：采集某一瞬間的模擬輸入信號，根據需要保持并輸出此電壓值。■采樣狀態：電路輸出信號穩定地跟蹤模擬輸入信號。■保持狀態：電路輸出信號保持采樣結束時刻的瞬時值。■用途：主要用于快速數據采集系統。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。■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。■

關斷時間：從發出保持指令的時刻起，直到輸出信號穩定下來為止所需的時間。基本組成：

1.模擬開關

2.存儲電容

3.緩沖放大器6.2采樣保持電路6.2.1基本原理當Uc=“1”時，S接通，ui向C充電，輸出跟蹤模擬輸入信號變化——采樣階段(uo=uc=ui)。∞-+N1+∞-+N2+uiuoUcCSuc當Uc=“0”時，S斷開，uo保持S斷開瞬間的輸入信號值——保持狀態(uo保持uc值)。采樣定理：采樣頻率fs

>

2

fmax

采樣間隔Ts<1/

2

fmax通常取fs

=(7~10)fmax

6.2.1基本原理■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。6.2采樣保持電路ui,uouoTsttOOui采樣保持■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。元件性能要求6.2采樣保持電路6.2.2單片集成采樣保持電路(AD582)將運放、NMOS管模擬開關S和與門控制電路DG集成在一塊芯片上(AD582)，其輸出uo送入AD571的輸入端，而AD571的狀態輸出端與AD582的控制端相連。由AD571的輸出狀態來控制AD582開關S的斷和通，使AD582處于保持/采樣狀態。6.3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、低輸出電位滿足數字電路邏輯電平的要求。6.3電壓比較電路■作用：鑒別和比較兩個模擬輸入電壓的大小。當ui<UR時，Uo為高電平“1”；當ui>UR時，Uo為低電平“0”；當ui=UR時，比較器翻轉。

Uo=UR-ui

在高低電平變化瞬間，可用“虛短”和“虛斷”進行分析，是模擬電路與數字電路之間聯系的橋梁。-1+1uiUR#UoUouiui<URui>URoUR

6.3.1電平比較電路(單門限電平)

6.3.1.1差動型電平比較電路Uouiui<URui>URoUR

當ui<UR時，Uo為高電平“1”；當ui>UR時，Uo為低電平“0”；當ui=UR時，比較器翻轉。

Uo=UR-ui當UR=0時為過零比較器，又稱鑒零器。如正弦波經過鑒零器后變為方波。-1+1uiUR#Uo■優點：門限電平可變■缺點：振鈴現象6.3.1電平比較電路(單門限電平)

6.3.1.2求和型電平比較電路(門限電平可變)當ui<UR時，Uo為高電平“1”；當ui>UR時，Uo為低電平“0”；當ui=UR時，比較器翻轉。

由于干擾信號un的作用，當ui+un=UR時就產生誤翻轉，即“振鈴”現象。∞-++uiUoU

R1R2R∑unURuiUo*

6.3.2滯回比較電路(正反饋，兩個門限電平)UouioU1

U2

設輸出高低電平分別為UoH、UoL，則兩個門限電平分別為：滯后電平：Uo-1+1uiUR#R1R2R調節R1或R2可調節滯后電平，使

稍大于預計的干擾信號un，可消除“振鈴”現象。ui<U1時Uo=UoH，ui>U2時Uo=UoL，U1<ui<U2時不翻轉。常作為整形電路。*

6.3.3窗口比較電路(兩個門限電平)當ui<UR2時，Uo1=“1”，Uo2=“0”，則Uo=“1”；當UR2<ui<UR1時，Uo1=“1”，Uo2=“1”，則Uo=“0”；當ui>UR1時，Uo1=“0”，Uo2=“1”，則Uo=“1”。Uo-1+1uiE#R1R2RP-1+1#VS&Uo1Uo2UR1UR2N1N2UZ判斷ui是否在兩個電平之間。兩個門限電平分別為：窗口寬度：UouioUR2

UR1

“1”

“0”

■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，故又稱為壓控振蕩器(VCO)。■應用：在調頻、調相和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。6.4電壓頻率轉換電路

6.4.1V/f轉換電路N1R1C——

反相積分器；6.4.1.1通用運放V/f轉換電路

1.積分復原式V/f轉換電路N2R5~R8——

滯回比較器；V——

積分復位開關；Vs1——穩定門限電平；Vs2Vs3——限制輸出電壓(限幅)。滯回比較器N2同相輸入端的兩個負門限電平分別為：uo=+UZ時，uo=-UZ時，當ui=0時，uc=0，uo=-Uz，V截止，則門限電平為：Up=U2

uc≤U2時，uo=Uz，V導通，C通過R3放電，uc增大，同時up=U1(突變)——放電過程，放電時間為T2當ui>0時，分兩種情況：常數(非線性項)

uc≥U1時，uo=-Uz，V截止，C通過R1充電，uc減小，同時up=U2(突變)

——充電過程，充電時間為T1(線性項)6.4.1.1通用運放V/f轉換電路

2.電荷平衡式V/f轉換電路ttooucuot0t1N1RC——

反相積分器；N2——

過零比較器；Is——

恒流源發生器；單穩——

產生窄脈沖。當uo=“0”時，S斷開，i向C充電，充電時間為t1，充電電荷為：ΔQ1=it1；當uo=“1”時，S接通，C放電，放電時間為t0，放電荷為：ΔQ0

=(Is-i)t0。根據電荷平衡原理有：設6.4.1.2集成V/f轉換器(LM131/231/331框圖)6.4.1.2集成V/f轉換器(LM131/231/331簡化圖)當ui>u6時，比較器輸出高電平，Q=“1”，V2導通，則Uo=UoL≈0，同時S閉合(接1)，CL充電，u6增大，Ct充電，u5增大，充電時間t0，充電電荷：Qx=Ist0=1.9t0/Rs，t0≈1.1RtCt；當ui<u6，且u5≥2U/3時，單穩輸出Q=“0”，V2截止，則Uo=UoH≈E，同時S斷開(接地)，CL通過RL放電，u6減小，Ct通過芯片內放電管V3放電到零，放電時間t1，放電電荷為：QR=iLt1≈

iLT

≈

uiT/RL。根據電荷平衡原理有：組成：滯回比較器、單穩態觸發器和低通濾波器。6.4.2f/V轉換電路

6.4.2.1通用運放f/V轉換電路N1R3R4——

滯回比較器，輸出方波信號u1(u1與ui同頻)；N2R1R2V1V2——單穩態觸發器，使u2占空比隨fi

升高而增大；N3R12C2——低通濾波器，對u2求平均。

u1為低電平時，uN<0，N2輸出高電平，V1V2導通，此時u2為低電平，即u2=“0”，C放電使up減小；V1截止時，u2=Um，

u1為高電平時，uN=UH>0，N2翻轉輸出低電平，V1V2截止，此時u2為高電平，即u2=Um，C充電使up增大，當up上升到UH時，使N2再次翻轉“復位”，單穩過程結束。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。對于幅度和寬度都不規則的脈沖信號，只要脈沖的幅度大于單穩的觸發電平，則單穩態觸發器可將不規則的脈沖波形變成幅度和寬度都相同的脈沖波形。低通濾波器輸出：6.4.2f/V轉換電路

6.4.2.2集成f/V轉換器(LM131/231/331)要求：，，當ui無負脈沖輸入時，u6≈U>u7，U1=“0”，Q=“1”，此時S接地，V2導通，u5=uct=0，U2=“0”；當ui有負脈沖輸入時，u6<u7，U1=“1”，Q=“0”，此時S接“1”，Is對CL充電，V2截止，U通過Rt對Ct充電，u5增大，充電時間t1，充電電荷為：Qs=Ist1=1.9t1/Rs，t1≈1.1RtCt；當u5≥U-時，U2=“1”，此時u6已回升到u6>u7，U1=“0”，Q=“1”，S接地，CL通過RL放電，同時V2導通，Ct經V2放電，使u5=uct=0，U2=“0”。放電時間t2，放電電荷QR=iLt2≈uoTi/RL。根據電荷平衡原理有：6.5電壓電流轉換電路■作用：減小傳輸導線阻抗對信號的影響。6.5.1I/V轉換電路1.

反相輸入型uo∞-+N+iS

RSR2R1i

■要求:

（1）電流源內阻RS很大，減小輸入失調電壓影響；（2）iS>>Ib——運放的輸入偏置電流。6.5.1I/V轉換電路*

2.同相輸入型■要求：

R4=R2//R3（R2和R3由i與uo的范圍確定）uo∞-+N+UbR3R1i

R4R2ui■例：

4~20mA→0~10V(作業)

取R1=250Ω，i

=

4~20mA→

ui=1~5V→uo=0~10V

，，，，6.5.1I/V轉換電路■例：4~20mA→0~5V

uN=uP=iSRuo∞-+N+RR1iS

R6R2+15VCuPuNR4R5R3RPRfVSUf取，，，調RP使Uf=7.53V，則uo=312.5426iS-1.250≈

0~5V6.5.2V/I轉換電路

6.5.2.1運放構成的V/I轉換電路■要求：R3>>RL

R4>>R7+RL取R1=R2，R3=R4，uN≈uP，則V1∞-+N+uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio6.5.2V/I轉換電路■例：0~10V→0~10mA取R1=R2=100kΩ，

R3=R4=20kΩ，

R7=200Ω，

Ub=0，則■例：0~10V→4~20mA取R1=R2=100kΩ，R3=R4=20kΩ，

R7=125Ω，Ub=-2.5V，則V1∞-+N+uiR3R1R4R2R5uNuPUbV2+ER6R7RLio■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，能分辨的輸入模擬電壓的最小變化量叫做分辨率。通常用一個單位分辨率(LSB)

或輸出二進制位數來表示。■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。6.6模擬數字轉換電路

6.6.1A/D轉換器■轉換精度：實際ADC在量化值上與理想ADC量化值的差值，可用絕對誤差或相對誤差表示。由于實際ADC的量化值除了含有量化誤差外，還有非線性誤差、使用元件和噪聲等產生誤差。■轉換時間：完成一次轉換所需要的時間，轉換速率是轉換時間的倒數。轉換速率常用采樣速率表示，采樣速率是采樣時間的倒數。6.6模擬數字轉換電路

6.6.1A/D轉換器*

A/D轉換的三個階段：采樣、量化和編碼6.6.1A/D轉換器6.6.1.1基本原理■采樣：在時間上離散，用模擬信號與脈沖序列相乘實現。■量化：在幅值上離散，利用四舍五入規則，用有限個量化值來代替采樣值，量化值與采樣值之差稱為量化誤差，最大量化誤差=±LSB/2。■編碼：編碼與量化同時完成，通常用二進制碼表示，即1.雙積分式A/D轉換器6.6.1.2A/D轉換器工作原理■采樣階段T1：在T1時間內，Ui通過R向C充電，計數器同時對時鐘脈沖開始計數，計數值為N1。采樣階段結束，計數器清零，積分器輸出：T1=N1TC1．雙積分式A/D轉換器■比較階段T2：在T2時間內，UR或(-UR)使積分器反相積分(UR與Ui極性相反)，同時計數器重新計數，計數值為N2。比較階段結束，此積分器輸出：UCUi1Ui2oT1T2T2ˊ把T1=N1TC，T2=N2TC代入上式得：

計數器記錄的脈沖數N2表示被測電壓Ui在T1時間內的平均值Uiav，實現了A/D轉換。速度慢，抗干擾能力強。2.逐次逼近式A/D轉換器從高位到低位，逐位比較。把比較位置1，其它位置0，將數字代碼經D/A轉換成對應的模擬電壓US，用US與模擬輸入電壓Ui比較，若US>Ui該位置0，若US<Ui該位保留(置1)。速度和精度較高，應用廣泛。3.并行比較式A/D轉換器將基準電壓UR分成相等的2n份，每份為UR/2n，等于最低有效位LSB電壓值，并把UR/2n、2UR/2n、…(2n-1)UR/2n分別加到2n-1個比較器作參考電壓，而把Ui以并聯方式加到比較器的同相輸入端，與各自的參考電壓進行比較，獲得與二進制相對應的2n-1個狀態送入編碼器，就可完成A/D轉換。速度高，分辨率低，功耗大，價格高。當時，d1=1；當時，d0=1；當時，d0=1，d1=0。4.∑-ΔA/D轉換器■

∑-Δ調制器：A/D轉換

Δ——

相鄰采樣點間信號的幅值之差；■采樣：采樣頻率fs1=1/Δt

>>fs，取fs1=256fs

——過采樣；■量化：階梯信號x1(t)≈x(t)，逼近誤差e(t)=x(t)-x1(t)很小；■編碼：x1(t)上升一個Δ時，y1(n)=1；x1(t)下降一個Δ時，

y1(n)=0；x1(t)不變時，沒有y1(n)脈沖。

y1(n)=x(t)-de(t)/dt——1位數碼數字信號