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第六章-信号转换电路剖析

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第6章 信号转换电路剖析

第6章 信号转换电路剖析

6.1 模拟开关
■ 主要参数
导通电阻Ron：开关闭合时的电阻； 截止电阻Roff：开关关断时的电阻，主要由漏电引起； 延迟时间：控制信号改变时对应产生的输出延迟时间。
■ 开关电路类型
增强型MOSFFT开关电路：N沟道增强型和CMOS 型； 集成模拟开关电路：在同一芯片上集成多个CMOS开关； 多路模拟开关电路：由地址译码器和多路模拟开关组成。
DB11-0
REF IN
CS R/C
REF OUT UCC
BIP AGND OFFSET
UEE
+5V
+12V 0.1µF 0.1µF
-12V
AD674的转换状态信号STS经非门接到AD781采样保持的 控制端。在CS=“0”,R/C=“0”时启动转换器转换。R/C=“0”使 STS=“1”，经非门S/H=“0”，AD781进入保持状态。当AD674 转换结束，STS=“0”使S/H=“1”，AD781进入采样状态。
C
uo
Uc
■ 采样保持电路的主要要求：精度和速度
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。
6.2 采样保持电路
元件性能要求
■ 模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流 小，极间电容小和切换速度快。
■ 存储电容：要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻 大的电容。
■ 运算放大器：选用输入偏置电流小、带宽宽及转 换速率（上升速率）大的运算放大器，输入运 放还应具有大的输出电流。
6.2 采样保持电路
6.2.1 基本原理
当控制信号Uc=“1” 时，S接通，ui向C充电，
ui
输出跟踪模拟输入信号
变化——采样阶段。
( uo=uc=ui )

第六章信号的转换PPT课件

第六章信号的转换PPT课件

第二节 电压比较电路
1、运放的工作状态 比较器电路中的运放一般在开环或正反馈条件 下工作，运放的输出电压只有正和负两种饱和 值，即运放工作在非线性状态。在这种情况下， 运放输入端“虚短”的结论不再适用，但“虚 断”的结论仍然可用(由于运放的输入电阻很 大）。 2、电压比较器的类型 常用的电压比较器有零电平比较器、非零电平 比较器、滞回比较器和窗口比较器等电路。
捕捉时间
关断时间
限制了电路的工作 速度
第一节 采样保持电路
采样保持电路的基本性质 组成： 1. 模拟开关 2. 模拟信号存储电容 3. 缓冲放大器
第一节 采样保持电路
ui ,uo
O fs(t)
O Ts
a)
uo
f(t)
t
t
模拟信号采样
采样保持电路
对采样保持电路的主要要求： 精度和速度
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。
滞后电平可调，合理选择大小，使之稍大于预计的干抗信号，就可消除 振铃现象。但不可太大，否则检测误差太大。
电压比较电路
三 窗口比较电路
R1
UZ
E
UR1
VS
RP
UR2
R2
Uo
-1
#
“1”
+1 N1 Uo1
&
-1
#
+1 N2 Uo2
Uo O “0”
ui
单方向多个阈值
U
U R2
U R1
ui
四、比较电路的应用
电压比较器的性能指标
(1）阈值电压：比较器输出发生跳变时的输 入电压称之为阈值电压或门限电平。
(2）输出电平：输出电压的高电平和低电平。 (3）灵敏度：输出电压跳变前后，输入电压

信号转换电路

信号转换电路

传感检测技术基础信号转换电路信号转换电路模/数转换器A／D转换可分为直接法和间接法。

直接法是把电压直接转换为数字量，如逐次比较型的A／D转换器。

间接法是把电压先转换成某一中间量，再把中间量转换成数字量。

(1)逐次比较型模/数转换器逐次比较型A／D转换就是将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值.模模//数与数数与数//模转换器模转换器逐次比较型A／D转换器简化框图如图10.20所示它由D／A转换、数码设定、电压比较和控制电路组成图10.20逐次比较型A/D转换框图（2）双积分型模/数转换电路双积分型A／D转换电路如图10.21所示,当t=T2时，U0(t)=0,如图（b）所示.图10.21双积分型A/D转换器原理图转换过程分两步，首先接通S1，对输入电压(-Ui)积分，积分电路输出电压为:(10.21)然后在T1时，开关切换到S2位置，对基准参考电压Ur反向积分，积分电路输出电压为：（10.22）当t=T2时，U0(t)=0，如图10.21（b），此时得：(10.23)设时钟脉冲频率为,当t=T1时,则时间T1为：此时开始对标准参考电压Ur反向积分，时间间隔T=T1－T2，计数值为N，则，所以：数/模转换器数/模（D/A）转换器是通过电阻网络，把数字按其数码权值转换成模拟量的输出.D/A转换器有两种类型:权电阻网络和T形电阻网络(1)权电阻数/模转换器图10.22是4位二进制权电阻D／A转换器原理图由上图可得：（10.24）（10.25）在上述电路中，权电阻分别为R、2R、4R、…、。

若数字量多于四位，可通过增加模拟开关和权电阻来增加其位数。

(2)T形电阻数/模转换器T形电阻D/A转换器原理如图10.23所示,该电路电阻形状成T形，故称T形网络.图10.23T型电阻D/A转换器由图10.23可知,根据叠加原理，运算放大器总输入的等效电压是各支路等效电压之和，即:(10.26)若取RF＝3R，运算放大器的输入端电流为:(10.27)运算放大器的输出电压V0为:(10.28)电压/频率转换器(1)转换原理V/F转换器原理如图10.24所示电压电压//频率与频率频率与频率//电压转换器电压转换器图10.24V/F转换电路示意图1)当输入电压Ux>Uc时，放大器A输出为“1”状态，此时将单稳触发器置“1”，触发器驱动开关S 接通恒流源，使I0对电容CL充电;2)Uc上升，在Uc=Ux+△U时，电压比较器A输出为“0”状态，单稳触发器置“0”，使开关S断开，I0停止对电容CL充电;3)电容CL通过电阻RL放电，Uc下降。

第06章信号转换电路

第06章信号转换电路

利用单稳态触发器暂稳态期间输出的 高电平去控制与门的开
3. 延时：在一个脉冲信号到达后，延迟一段时间再产生 一个脉冲，以控制两个相继进行的操作。
延时 脉冲形成
f/V转换电路
集成f/V转换器
+U Rd
ui Cd
8
R1
6
u6
U7
7
- 输入 比较
+ 器 U1
稳态：Q=0 Rt 暂稳态：Q=1 u5 暂稳态持续时间Ct 由Rt, Ct充电时间 决定。
QR
基准 电源
定时 比较
器+
5
输出 保护
复位 2R
比较 输入
域值 Rt
定 时
Ct
4
电压频率转换电路
• 集成V/F转换器
+U RS 2
1
u6
6
RL
CL 7
ui
Rt
8 iS # S
-1 输入 # 比较
+1 器
u5
Ct
5
u6
+E
ui
单稳 Q 态定
时器 Q
O
uo
V
3
uo
4
O
to T
b)
约 10mV t
t
f/V转换电路
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，锁相和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
电压频率转换电路
• 积分复原型 组成：积分器、比较器和积分复原开关等

信号转换电路

信号转换电路
✪集成I/V转换器RCV420
✿ 性能：
①
2 电流/电压转换电路
②
能将4mA～20mA输入 电流转换成0～5V的 电压输出。 可获得86dB的共模抑 制比，以及承受40V 的共模电压输入。
2019/1/7
9
3 交流/直流（AC/DC）转换电路
Alternating current/Direct current converting circuit ✪ 交流/直流AC/DC转换电路的功能是将交流振幅 信号转变为与之成正比的直流信号输出。 ✪ 根据被测信号的频率不同和要求测量的精度不 同，可以采用不同的转换方式，常用的转换方 式：
Virtual value converting circuit
✿ 电压有效值测量方法：
①
3.3 有效值转换电路
公式法：应用计算机，通过对已被量化的离散 值进行运算，得出公式的值。 利用晶体二极管的特性曲线。 利用真空热电偶。 采用单片真有效值/直流转换器。
② ③ ④
2019/1/7
19

Virtual value converting circuit
2019/1/7
14
3.2 绝对值转换电路（全波整流电路）
☠ 简单绝对值转换电路的缺点：
a. 要实现高精度转换，电阻必须严格匹。
b. 输入电阻较低，仅为R1//R4。
2019/1/7
15
3.2 绝对值转换电路（全波整流电路）
2. 改进的绝对值转换电路：
✿ 同相型半波整流电路和反
相型半波整流电路结合起来 组成绝对值转换电路，可减 少匹配电阻的数目。
✪真有效值测量法：
✿交流有效值定义：以电压为例，
3.3 有效值转换电路

第六章 信号调理电路 电桥

第六章 信号调理电路 电桥

机械工程测试技术
湖北工业大学 机械工程学院 1 3 2 4
4
（2）交流电桥四个桥臂中有两对边桥臂，若1、3 桥臂为纯电阻，则φ1= φ3= 0，根据平衡条件对 相位的要求，其它两个对边桥臂必 须具有异性的电 抗，如一边为容抗，则另一边应为 感抗，这样才能 符合 φ2= -φ4 的要求。
R2 c Uo R3
直流电桥
Uo
R Ui 4 R0
R Ui 半桥、双臂输出： U o 2 R0
全桥、四臂输出：U o R U i R0 机械工程测试技术
湖北工业大学 温度补偿
选用型号和特性完全相同的两只应变片， 可以构成补偿块补偿电桥和工作片补偿电桥。
机械工程学院
如果相同的两应变片之一粘贴在被测试件上作为工作片，
湖北工业大学
机械工程学院
第六章 信号的调理 电桥
机械工程测试技术
湖北工业大学
机械工程学院
信号的调理 将待测信号通过放大、滤波等操作转 换成采集设备能够识别的标准信号。
机械工程测试技术
湖北工业大学 6.0 变换与调理的目的
便于信号的传输与处理。 1.传感器输出的电信号很微弱， 大多数不能直接输送到显示、 记录或分析仪器中去，需要进 一步放大，有的还要进行阻抗 变换。
湖北工业大学
R1+ΔR
机械工程学院
R1 ＋ΔR
R3
V
R4
平衡的条件： R1· R3=R2· R4 电桥的输出：
Uo R 2 R 4 - R 1R 3 Ui (R 1 R 2 )(R 3 R 4 )
R1＋ΔR
R2
ΔU
b
R2 I1 I2
R1 a R4 d Ui

测控电路(第7版)课件：信号转换电路

应用：在调频（电压调频），锁相和A/D变换等许多技术领域得到非常广泛 的应用。
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
信号转换电路
32
7.4.1 V/f 转换电路
积分复原型
复原开关
V
R3
R1 ui
积分器
R2
C
∞ -
+ + N1
uC
R4
∞
-
uP
+ + N2
7.1 模拟开关
模拟开关是在电路中用于实现模拟信号通与断的电子开关器件，它的作用类 似于机械式转换开关，信号电流从输入端流到输出端，其信号传送方向可以 是双向的.
模拟开关通常有三个端子：控制端C、信号输入端I及输出端O。I/O可以互 换的为“双向开关”。
常用的模拟开关元件包括二极管开关、双极型晶体管开关、结型场效应晶体 管（JFET）开关、MOS型场效应晶体管（MOSFET）开关等
在导通状态下，该电路的传递函数为：
开关的极点影响电路的带宽，为了使带宽最大化，开关应具有低输入电容、
低输出电容和低导通电阻。在关断状态下CDS会把输入信号耦合至输出端， 导致开关隔离性能劣化，关断隔离度随输入频率增大而下降。就此误差源而
言，解决方法是选择CDS尽量小的开关。
CDS
S
D
uo
ui
Ron
CD
ui
+
uo
UR
-
阈值电压： UT =UR
即ui
UT
U
时，输出电压翻转
R
uo
ui U R ui U R
uP uN ui U R 0 uP uN ui U R 0

第6章 AC-AC变换电路


四、斩控式交流调压电路
一般采用全控型器件作为开关器件 工作原理
基本原理和直流斩波电路有类似之处。 u1正半周，用V1进行斩波控制，V3提供续流通道。
u1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道。
设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通
比α = ton/T，改变α 可调节输出电压。
解方程得：
式中：
，θ为晶闸管导通角
利用边界条件：ωt=α+θ时 i0=0，可求得θ：
VT2导通时，上述关系完全相同，只是i0 极性相反，相位差180° 以φ 为参变量时，变量θ与α的关系曲线 如右图：
确定其移相范围： ①α＞φ，此时： 因：
sin( )e


tan
0
o 所以： sin( ) 0 即 180

重点：交－交变频电路（周波变流器）的电路及原理。
第一节 交流开关及应用
交流开关及应用
一、交流 电力电子 开关
二、交流 调功电路
一、交流电力电子开关

将晶闸管反并联串入交流电路如
图所示，代替电路中的机械开关
，起接通和断开电路的作用，称 为交流电力电子开关，也称为无 触点开关。 与机械开关相比，它具有开关响 应速度快，无触点（无电弧火
不对称但是在指数分量的衰减过程中VT1的导通时间逐渐缩短，
VT2的导通时间逐渐延长，当指数分量衰减到零后，VT1和VT2的 导通时间均趋近到π ，其稳态工作情况和α ＝φ 时完全相同。

综合分析可知：单相交流调压电路带阻感性负载时α 角够相范
围为φ ～π 。
三、单相交流调压电路的谐波分析
1.电阻负载的情况

测控仪器设计 第4版 第六章 测量仪器电路设计

31
(1) 信号通道干扰的抑制措施：
1、开关量信号通道中干扰的抑制措施 滤除开关通道干扰的方法很多，但最为常用的是采 用隔离措施，采用的器件主要是光电耦合器件
2、模拟量信号通道中干扰的抑制措施 用于模拟量通道抗干扰的器件很多，主要有耦合变 压器、扼流圈和光电耦合器等。
转 换 时 间
准 电 源 稳 定
数
度
哈工大仪器学院光电测控与智能化研究所
18
二、中央处理系统设计
1、中央处理系统的作用与组成 中央处理电路的作用是对测量电路系统送来的信号进行运算和处理，然后按照仪器的 功能要求，向控制电路系统发出控制命令，并通过控制电路和执行器对被控参数实行 控制。它同时连结着测量电路和控制电路，即连接着信息流的输入通道和输出通道， 因此它是整个电路系统的中心，同时也是整个测控仪器的神经中枢。 2、传统的中央处理电路组成：
• （1）运算电路 • （2）特征值检测电路 • （3）补偿电路
19
三、控制电路设计
1、控制电路的作用
信号转换
放大驱动
作用
信号隔离
20
2、信号转换电路
信号转换电路
数/模转换电路
D/A
脉冲宽度调制电路
PWM
脉宽调制技术是基于“冲量相等而形状不同的窄脉冲加在 具有惯性的环节上时，其效果基本相同”的原理工作的。
工作的关键。
27
噪声源
• 表征系统干扰主要指标:信噪比 S/N=10lg（PS/PN）=20lg(US/UN)
干扰源 (1) 来自信号通道的干扰
（主要是由传感器、开关量输入输出、模拟量输入输出、电路本身的固有噪声产生。）
(2) 来自电源的干扰 (3) 来自空间的辐射干扰

第6讲信号的转换共13页文档

为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？
若uImax<Uon，则在uI的整个周期中uO始终为零；若 uImax>Uon ，则uO仅在大于Uon近似为uI，失真。
精密整流电路的组成
uI 0
设R＝Rf uI 0时，uO' 0，D1截止， D2导通， uO uI。
uI 0
uI 0时，uO' 0，D2截止， D1导通， uO 0。
UT UT
R1>>R5
UZ UZ
UT

R2 R3
UZ
U TR 1 1CuIT 1U TR 1 1CuITU T
f 1 R3 uI T1 2R1R2C UZ
单位时间内脉冲个数表示电
若uI>0，则电路作何改动？ 压的数值，故实现A/D转换
2. 复位式压控振荡器
f R1Cu I U REF
uI
uP R1
uPuO， uOuP
R2
R3
uP R
iO
若R2 R1
R R3，则 iOuRI
电路既引入了负反馈，又引入了正反馈。
R RL L u iO P uO iO 相互抵消 iO稳 ， 定 则 如何求解输出电阻？
三、精密整流电路
精密整流电路是信号处理电路，不是电源中AC-DC的能量 转换电路；实现微小信号的整流。
第二十六讲 信号的转换
一、概述 二、u-i转换电路 三、精密整流电路 四、u-f转换电路
一、概述
• 信号的发送：调幅、调频、调相 • 信号的接收：解调 • 信号对负载的驱动：i-u，u-i • 信号的预处理：AC-DC（整流、检波、滤波）
DC-AC（斩波） • 信号的接口电路：A-D（如 u-f），D-A
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它是构成S/H电路关键器件之一。
干簧继电器
开关元件
机械触点式 水银继电器
模拟开关
电子式
机械振子式继电器
二极管 双极型晶体管 场效应管 集成模拟开关
控制电路
主要是MOSFET构成的模拟开关
中国计量学院
（一）增强型MOSFET构成的模拟开关
1、N沟道增强型MOSFET开关电路
Ron
O
ui
a）吸电流形式
Uo
-1 ui
+1 UR
# Uo
ui<U R
ui>U R
O UR
ui
a) 图 6-9
b)
电压比较器及其特性
ui>uR ui<uR
uo=0 uo=1
一般运放工作在开环状态下，就是电压比较器。
中国计量学院
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。
常用集成电压比较器：MAX475，LM139，LM111，LM119等等
中国计量学院
最常用的就是电平检测
参考电压 输入电压
输出
把正弦波变成方波，整形等等常用方波
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。
中国计量学院
一、基本原理
采样保持电路的基本组成： 模拟开关 模拟信号存储电容 输入、输出缓冲放大器
S u
i
开关控制
C
采样信号
采样后所获得的信号是模拟信
号f(t)与采样脉冲fs(t)相乘的结果， f 同时周期性采样脉冲fs(t)可以用傅
立叶级数来表示。
Fs(f) E0
O
E1
fs b)
E2
2fs
f
fs (t) = E0 E1 cos 2fst E2 cos 4fst
频谱图为左b)图
中国计量学院
F(f)* Fs(f)
fs＋fmin
在这种情况下，V1的漏电流大大减小 ∴从而大大提高了存储电容的精度
中国计量学院
单片集成采样保持器：AD571
Uc +5V 14 13 12 11
AD582
&
DG
∞ -
+ + N1
S
#
uo
10
98
∞ -
+ + N2
1
2
ui
3
4
5
偏移调节
6
7
C
状态
模拟量输入
?/# AD571
中国计量学院
6.3 电压比较电路
Байду номын сангаас（二）多路模拟开关
逻
组成：
辑 电
平
译码器+多路双向模拟开关
转 换 电
路
图6-5 CD4051原理图
中国计量学院
6.2 采样保持电路
采样保持电路是把不断变化的模拟信号，在某一瞬间的值 保持下来。
u0
=
u u
i i
(t (t
) 0)
采样期 保持期(t0为发出保持命令的时刻)
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
第六章 信号转换电路
1 模拟开关 2 采样保持电路 3 电压比较电路 4 电压电流转换电路 5 模数转换电路
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6.1 模拟开关
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
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。
S接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶段， S断开时，电容C两端一直保持断开前的电压，称保持阶段。
中国计量学院
实际电路见下图：
uc为高电平，开关S接通，采样阶段
ui ,uo
O fs(t)
O Ts
uc为低电平，开关S断开，保持阶段
uo f(t)
t
采样时间间隔Ts愈短，波形愈准确。
t
中国计量学院
二、采样定理
采样定义：依据采样定理按照一定的时间间隔从连续的模拟信号中
抽取一系列的时间离散样值。
采样频率：f s
=
1 T
模拟信号最大频率为fmax
fs>2fmax 这就是采样定理
在实际工作中， fs>10fmax，我们原来的波形才不失真。
在频域里面看看采样定理：
F(f)
O fmin fmax a)
a）图为输入信号的频谱
∴得到频谱c）图 在上图中，假如要不失真，那就是频谱图不能重叠。 ∴ fs－fmax>fmax
得： fs > 2fmax
三、单片集成采样保持电路
前面所讲为最基本的采样/保持电路。
但是我们知道开关就算断开以后，也有漏电流存在，所以我们需要 高精度的采样/保持电路
中国计量学院
-E
V ui
R V1
∞ -
c) S/H电路输出信号频谱
O fmin fmax fs- fmax fs fs+ fmax
2 fs
f
fs－fmin
f (t) • fs (t) = E0 f (t) E1 f (t) cos 2fst E2 f (t) cos 4fst
利用三角函数展开 cos2 ( fs f )t cos2 ( fs f )t/ 2
+ +N
C
Uc
高精度S/H电路
V为主开关，V1为隔离开关。
uc为高电平时，V和V1导通， u o C上电压=ui，uo=ui。
uc为低电平时，V和V1断开， C上电压保持最后状态不变， 保持阶段。
I1
R u1
u2
∞ -
+
V1
+N
G
S
V假如有漏电流，那流过R。 I1很小，所以u1很小， 同时u2为运放失调电压，也很小，
uGP Ron
Ron(P)
+E
ui
-E
uo
Ron(N)
Ron(C)
uGN
o
ui
反之
a)
b)
uGN为高电平，uGP为低电平，二管导通，
uGN为低电平，uGP为高电平，二管截止。
N、P沟道的曲线变化互补，所以等效电阻特别平坦，好。
3.集成模拟开关
例：CD4066 四双向模拟开关
中国计量学院
4066管脚信息
b）拉电流形式
N沟道MOSFET的Ron—ui特性曲线
工作条件 uGS － uT>0，uT为开启电压。 uGS= uc－ ui
∴ ui<uc－uT时，所以uc加高电平时，开关导通。
输出电阻Ron随ui的变化见上图
如果栅极G uc为低电平时，开关不导通，相当于断路，截止电阻1013Ω。
中国计量学院
2. CMOS开关电路