测控电路第六章课件

信号转换电路1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：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在进行信号转换时，需要考虑以下两个问题：转换电路应具有线性特性；要求信号转换电路具有一定的输入阻抗和输出阻抗以与之相联的器件阻抗匹配。2n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。第一节 模拟开关通常有三个端子：通常有三个端子：控制端控制端C，信号输入端信号输入端I，输出端输出端O。控制电路开关元件CIO3元件性能的影响和要求n模拟开关的分类 按切换的对象分：电压和电流开关电压和电流开关 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。第一节 模拟开关4元件性能的影响和要求n模拟开关的分类（电压和电流开关）第一节 模拟开关5n模拟开关的分类（电压和电流开关）第一节 模拟开关6n模拟开关的分类 按切换的对象使用的元件：机械触点式和电子式开关 机械触点式：机械触点式：干簧继电器，水银继电器及机干簧继电器，水银继电器及机械振子继械振子继 电器电器等。电子式开关：电子式开关：二极管、双极性晶体管、场效二极管、双极性晶体管、场效应晶体管、光耦合器件及集成模拟开关应晶体管、光耦合器件及集成模拟开关等。第一节 模拟开关7n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第一节 模拟开关8模拟开关n1、N沟道增强型沟道增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型）开关电路（绝缘栅型）吸电流方式吸电流方式拉电流方式拉电流方式9模拟开关n1、增强型增强型MOSFET开关电路开关电路（绝缘栅型）为保证其正常工作，衬底为保证其正常工作，衬底B B应处于最低电位，位应处于最低电位，位B B与与S S和和D D之间之间的两个的两个PNPN结反偏。结反偏。N N沟道管工作于可变电阻区的条件为沟道管工作于可变电阻区的条件为0 0u uGSGS-u-uT T，其中，其中u uT T为开启电压，则得：为开启电压，则得：u ui iu uc c-U-UT T 在栅极上加高电平在栅极上加高电平u uc c=U=UcHcH，当，当u ui iu ucHcH-u-uT T时，开关导通，导通时，开关导通，导通电阻电阻R Ronon随随u ui i不同而有所改变若导通电流足够小，则不同而有所改变若导通电流足够小，则u ui i越低，越低，R Ronon越小。当越小。当u ui iuucHcH-U-UT T时，会导致时，会导致N N沟道沟道MOSFETMOSFET移出可变电阻区。通移出可变电阻区。通常使用中，常使用中，R Ronon限制在几干欧范围内，因此要限制限制在几干欧范围内，因此要限制u ui i的电平范围。的电平范围。当栅极当栅极G G加以低电平时，加以低电平时，u ui i在在MOSFETMOSFET正负电源电压范围内均正负电源电压范围内均不能使管子满足导通条件，因而关断，此时开关截止电阻约为不能使管子满足导通条件，因而关断，此时开关截止电阻约为10101313量级。量级。10模拟开关n2、CMOS开关电路开关电路11模拟开关n2、CMOS开关电路开关电路P沟道增强型沟道增强型MOSFET的衬底接的衬底接+E，外加栅极控制电，外加栅极控制电压与压与N沟道增强型沟道增强型MOSFET相反，当控制电压相反，当控制电压uGN=+E，uGP=-E时，二管均导通；而当时，二管均导通；而当uGN=-E，uGP=+E时。二管均截止。时。二管均截止。CMOS开关在开关在-E+E范围内较为平坦，且范围内较为平坦，且Ron比较小，比较小，Ron波动范围约为波动范围约为350 100 。12模拟开关n3、单片集成CMOS开关电路单片集成单片集成CMOS四模四模拟开关电路，拟开关电路，在同一芯片在同一芯片上集成了四上集成了四个独立的电个独立的电路结构完全路结构完全相同的相同的CMOS双向双向模拟开关单模拟开关单元。元。13n3、CMOS开关电路 在基本模拟开关在基本模拟开关V1和和V2基础上增加了辅助传输门基础上增加了辅助传输门V3和和V4，负，负载管载管V5及两个非门及两个非门DG1和和DG2。当开关导通。当开关导通(Uc=+E)时，时，V3、V4及及V5可保证可保证NMOS-FET的衬底与输入信号保持等电位，这是为了的衬底与输入信号保持等电位，这是为了克服衬底克服衬底B至至S之间的偏置电压所引起导通电阻的变化、即之间的偏置电压所引起导通电阻的变化、即NMOS-FET衬底调制效应。而衬底调制效应。而PMOS-FET衬底虽接固定电位衬底虽接固定电位+E，但因其衬底调制效应很小，故可以忽略。，但因其衬底调制效应很小，故可以忽略。各模拟开关各模拟开关单元共用一个正、负电源端。通常要求开关控制信号单元共用一个正、负电源端。通常要求开关控制信号Uc的幅度的幅度在在-E+E之间，当之间，当Uc=+E时，相应开关单元导通而闭合，当时，相应开关单元导通而闭合，当Uc=-E(0)，则相应开关单元截止而断开。每个开关单元输入模，则相应开关单元截止而断开。每个开关单元输入模拟信号幅度拟信号幅度ui范围为范围为-Eui+E。集成模拟开关广泛地使用于程控放大器、寻址式采样保持集成模拟开关广泛地使用于程控放大器、寻址式采样保持电路、程控频率振荡器、数字滤波器等电子技术中。电路、程控频率振荡器、数字滤波器等电子技术中。第一节 模拟开关14多路模拟开关0 2 3 5 6 7 输入/输出 A B C 输出/输入+E-E1-E2 逻辑电平转换电路 8选1译码电路 13 14 15 12 1 5 2 4 16 11 10 9 6 8 7 INH S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 1 4 CD4051第一节 模拟开关15多路模拟开关 多路模拟开关（多路模拟转换器），它由地址译码器和多路双向多路模拟开关（多路模拟转换器），它由地址译码器和多路双向模拟开关组成，可以根据外部地址输入信号经内部地址译码器译模拟开关组成，可以根据外部地址输入信号经内部地址译码器译码，选通与地址码相应的模拟开关单元，从码，选通与地址码相应的模拟开关单元，从N路模拟输入信号中路模拟输入信号中选取某一路传送到输出端，或把一路模拟输入信号送到选取某一路传送到输出端，或把一路模拟输入信号送到N个输出个输出端中的某一端输出。以端中的某一端输出。以8选选1多路模拟开关为例，它由逻辑电平转多路模拟开关为例，它由逻辑电平转换电路、换电路、8选选1译码电路和译码电路和8个个CMOS开关单元开关单元S1S8三部分组成，三部分组成，A、B、C是是3位二进制地址输入端，其输入电平与位二进制地址输入端，其输入电平与TTL兼容。兼容。INH是地址输入禁止端，它为高电平时，地址输入无效。是地址输入禁止端，它为高电平时，地址输入无效。CD4051有有8个输入输出端、一个输出输入端、一个正电源端个输入输出端、一个输出输入端、一个正电源端+E和两个负和两个负电源端电源端-E1、-E2。逻辑电平转换电路的主要作用是把地址输入端。逻辑电平转换电路的主要作用是把地址输入端A、B、C和地址输入禁止端和地址输入禁止端INH输入的输入的TTL逻辑电平转换成逻辑电平转换成CMOS电平、使开关单元能用电平、使开关单元能用TTL电平控制，电平控制，8选选1地址译码电路地址译码电路的主要作用是把来自逻辑电平转换电路的地址输入信号转换成相的主要作用是把来自逻辑电平转换电路的地址输入信号转换成相应的开关单元选通信号，并把相应开关单元接通。应的开关单元选通信号，并把相应开关单元接通。第一节 模拟开关16n采样保持电路17 采样采样/保持保持(S/H)电路电路具有采集某一瞬间的模拟输入信号。根据需要保持并输出采集的电压数值的功能。在“采样”状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号。转为“保持”状态后，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。这种电路多用于快速数据采集系统以及一切需要对输入信号瞬时采样和存储的场合。如自动补偿直流放大器的失调和漂移、模拟信号的延迟、瞬态变量的测量及模数转换等。第二节 采样保持电路18第二节 采样保持电路n基本性质捕捉时间：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：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。的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。19第二节 采样保持电路采样保持电路的基本组成：模拟开关、模拟信号存储电容、缓冲放大器模拟开关、模拟信号存储电容、缓冲放大器输入放大器输入放大器N1是是 个具有优良转换速率和稳定驱动电容负载能力的运算放个具有优良转换速率和稳定驱动电容负载能力的运算放大器，它对大器，它对ui为高输入电阻并为开关为高输入电阻并为开关S和电容和电容C提供极低的输出电阻，提供极低的输出电阻，使电容使电容C在模拟开关闭合时尽可能快速地充电，及时跟踪输入。在模拟开关闭合时尽可能快速地充电，及时跟踪输入。输出放大器输出放大器N2构成跟随器，其输入级由构成跟随器，其输入级由MOS场效应晶体管组成，以得到场效应晶体管组成，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，否则在和负载隔离，否则在保持阶段，保持阶段，C上的电荷会通过负载放电，无法实现保持功能。上的电荷会通过负载放电，无法实现保持功能。20第二节 采样保持电路21第二节 采样保持电路fsfminfsfmin22第二节 采样保持电路单片集成采样保持电路单片集成采样保持电路主要参数：捕捉时间，孔径时间，下垂率主要参数：捕捉时间，孔径时间，下垂率类型：通用型，高速型，高分辨率型，低类型：通用型，高速型，高分辨率型，低下降型。下降型。23第二节 采样保持电路捕捉时间：捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，到输出值达到从发出采样指令的时刻起，到输出值达到规定的误差范围以内所需的时间。（此时间长表示规定的误差范围以内所需的时间。（此时间长表示S/H电电路跟踪性能差。）路跟踪性能差。）孔径时间：孔径时间：从发出保持指令的时刻起，到开关真正断从发出保持指令的时刻起，到开关真正断开为止所需的时间。（若在此期间输入信号变化，保持电开为止所需的时间。（若在此期间输入信号变化，保持电压值将出现误差，故孔径时间表明模压值将出现误差，故孔径时间表明模/数转换器并不能在数转换器并不能在保持命令之同时停止采样，孔径时间长的保持命令之同时停止采样，孔径时间长的S/H电路停止采电路停止采样响应能力差。）样响应能力差。）下垂率：下垂率：指由于存储电容的电荷的泄漏所引起的输出指由于存储电容的电荷的泄漏所引起的输出电压的变化率。（输出放大器所需的输入偏置电流是引起电压的变化率。（输出放大器所需的输入偏置电流是引起下垂的重要因素）下垂的重要因素）24第二节 采样保持电路 对采样保持电路的主要要求：精度和速度精度和速度 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。25元件性能的影响和要求n输入输出缓冲器 特别需注意的参数：输入偏置电流输入偏置电流 带宽带宽 上升速率上升速率 最大输出电流最大输出电流。第二节 采样保持电路26元件性能的影响和要求第二节 采样保持电路n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。27元件性能的影响和要求n存储电容存储电容 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。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，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，降低保持精度上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持精度）第二节 采样保持电路28什么是电容的吸附效应？n在实际电容器中，电容器介在实际电容器中，电容器介质的偶极子及其界面极化的质的偶极子及其界面极化的形成和消失都不可能瞬时实形成和消失都不可能瞬时实现，往往需要一定的时间，现，往往需要一定的时间，因而使电介质常数随信号频因而使电介质常数随信号频率和环境温度变化，不能近率和环境温度变化，不能近似为常数似为常数n实际电容器的仿真模型如右实际电容器的仿真模型如右图所示，图中图所示，图中C为理想电容为理想电容值，值，R0为电容器的泄漏电阻为电容器的泄漏电阻,其余的阻容网络则为介质吸其余的阻容网络则为介质吸附效应的仿真。附效应的仿真。129什么是电容的吸附效应？n实验分析表明，阻容电路的时间常数相差很大，可实验分析表明，阻容电路的时间常数相差很大，可从几十毫秒到几十秒。从几十毫秒到几十秒。n（1）T充电时间充电时间MAX(T阻容电路阻容电路)切断电源将电容器短路，且切断电源将电容器短路，且 T短路时间短路时间（35）MAX(T阻容电路阻容电路)30总结从元件方面来看，提高精度的重要措施是：从元件方面来看，提高精度的重要措施是：1、减小各种漏电流和偏置电流，选用介质吸、减小各种漏电流和偏置电流，选用介质吸附效应小的电容器，减小开关导通电阻等的影附效应小的电容器，减小开关导通电阻等的影响。响。2、提高工作速度的措施是提高开关速度，减、提高工作速度的措施是提高开关速度，减小开关极间电容的影响，选用上升速率和输出小开关极间电容的影响，选用上升速率和输出电流大的运算放大器。电流大的运算放大器。31精度提高的方法（实用S/H电路）（1）高精度）高精度S/H电路电路(模拟开关漏电流的旁路模拟开关漏电流的旁路)Uc -+N R-E V1 ui C uo V 第二节 采样保持电路32（2）高精度）高精度S/H回路电容校正方法回路电容校正方法uo ui C V Uc VD1 VD2 V1 -+N2 -+N1 R1 C1 R3 R2 V2 精度提高的方法（实用S/H电路）第二节 采样保持电路33精度提高的方法（实用S/H电路）第二节 采样保持电路（2）采样保持电容校正方法）采样保持电容校正方法C uo -+N2 -+N1 ui C1 Ron2 Ron R134C uo -+N2 -+N1 ui R1 C1 Ron1 精度提高的方法（实用S/H电路）第二节 采样保持电路（2）电容校正方法）电容校正方法35提高速度的方法（实用S/H电路）减少反馈回路中的时间常数数目来提高速度 -+N1 -+N2 Uc uo C ui V1 R1 R2 V V2 VD1 VD2 第二节 采样保持电路 还可以用开环式采样保持电路方案，选用高速还可以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元件，并通过扩增驱动电流来减小存储电容的充电时间的方法来设计高速时间的方法来设计高速S/H电路。电路。（3）高速）高速S/H电路电路36单片集成采样/保持电路&1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14?/#模拟量输入 状态 AD571 偏移调节 C+5V AD582 uo ui -+N1 -+N2 Uc S DG#第二节 采样保持电路37总结n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。n存储电容：要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容。n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 第一节 采样保持电路38信号转换电路(二)电压比较电路电压频率转换电路39第二节 电压比较电路 什么是电压比较电路？模拟电压比较电路是用来鉴别和比较两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个模拟输入电压大小的电路。电压比较器的符号：理想比较其特性：比较器的输入量是比较器的输入量是模拟量，输出量是模拟量，输出量是数字量。是一种重数字量。是一种重要的接口电路。要的接口电路。-1+1#ui Uo UR uiUR a)b)图 6-12 电压比较器及其特性 40第二节 电压比较电路 集成电压比较器由哪几部分组成？各集成电压比较器由哪几部分组成？各部分的作用是什么？部分的作用是什么？集成电压比较器包括集成电压比较器包括差动输入级、高增益放大差动输入级、高增益放大级、逻辑电平输出级级、逻辑电平输出级三部分。三部分。差动输入级保证比较器具有与运算放大器可比拟差动输入级保证比较器具有与运算放大器可比拟的输入参数，即低的失调电压和失调电流，宽的共模的输入参数，即低的失调电压和失调电流，宽的共模输入电压范围等。高增益放大级保证比较器高的分辨输入电压范围等。高增益放大级保证比较器高的分辨力和转换速率。逻辑电平输出级保证比较器可直接与力和转换速率。逻辑电平输出级保证比较器可直接与各类数字逻辑电路相接口。各类数字逻辑电路相接口。41第三节 电压比较电路 用通用运算放大器设计比较器与用通用运算放大器设计比较器与 专用集成比较器有何区别？专用集成比较器有何区别？（1 1）比较器的一个重要指标是它的）比较器的一个重要指标是它的响应时间响应时间，它一般低，它一般低于于10-20ns10-20ns。响应时间响应时间与与放大器的放大器的上升速率上升速率和和增益增益-带宽积带宽积有关。有关。（运算放大器电路在设计时，重点考虑的是输出与（运算放大器电路在设计时，重点考虑的是输出与输入之间的线性放大特性以及稳定性等重要指标，其响应输入之间的线性放大特性以及稳定性等重要指标，其响应时间一般较长。）时间一般较长。）因此，必须选用这两项指标都高的运算因此，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，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。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 2）当在比较器后面连接数字电路时，专用集成比较器无）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，彽输器而言，必须对输出电压采取嵌位措施，使它的高，彽输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。出电位满足数字电路逻辑电平的要求。42 一一 电平比较电路（单阈值比较器）电平比较电路（单阈值比较器）（a）差动比较电路）差动比较电路第三节 电压比较电路 这是比较器最基本的应用。所设定进行检测的门这是比较器最基本的应用。所设定进行检测的门限电平限电平uR(又称又称基准电压基准电压)接至比较器的一个输入端，用接至比较器的一个输入端，用来和输入电压进行比较。来和输入电压进行比较。若将若将uR与与ui对调，则传输特对调，则传输特性相反。性相反。由于比较器本身有失调电压由于比较器本身有失调电压uos，若要比较电，若要比较电路检测毫伏级的微弱信号，必须根据路检测毫伏级的微弱信号，必须根据uos的极性，事先的极性，事先在在uR中消除这个中消除这个uos值。值。当当uR=0时，便是常用的过零比较电路，又称时，便是常用的过零比较电路，又称鉴零器鉴零器。43 一一 电平比较电路电平比较电路 （b）求和比较电路（阈值可变）求和比较电路（阈值可变）门限电平门限电平 优点：阈值可变优点：阈值可变 门限电压不仅与门限电压不仅与V有关，而且与有关，而且与电阻电阻R1与与R2的比值有关，这给门的比值有关，这给门限电压的选择带来灵活性。其输限电压的选择带来灵活性。其输出的高、低电平分别为运算放大出的高、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电路，可输出所要求的逻辑电平。缺点：振铃现象缺点：振铃现象 -+ui Uo V R1 R2 R 第三节 电压比较电路44第三节 电压比较电路振铃现象45第三节 电压比较电路 二二 滞回比较电路（正反馈阈值）滞回比较电路（正反馈阈值）两个阈值：两个阈值：46第三节 电压比较电路47第三节 电压比较电路二 滞回比较电路 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，或把慢速变化的信号整形为快速变化的脉冲性方波，有时为了消除把慢速变化的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。过渡电平中干扰的影响，也用它作整形电路。48第三节 电压比较电路 三 窗口比较电路单方向多个阈值49第三节 电压比较电路 三 窗口比较电路50电压频率转换电路电压频率转换电路nV/f 转换器转换器定定义义：V/f V/f(电电压压/频频率率)转转换换器器能能把把输输入入信信号号电电压压转转换换成成相相应应的的频频率率信信号号，即即它它的的输输出出信信号号频频率率与与输输入入信信号号电电压压值值成成比比例例，故故又又称称为为电电压压控控制制(压控压控)振荡器振荡器(VCO)(VCO)。应应用用：在在调调频频，锁锁相相和和A/DA/D变变换换等等许许多多技技术术领领域域得到非常广泛的应用得到非常广泛的应用。指指标标：额额定定工工作作频频率率和和动动态态范范围围，灵灵敏敏度度或或变变换换系数，非线性误差，灵敏度误差和温度系数等系数，非线性误差，灵敏度误差和温度系数等51电压频率转换电路n积分复原型积分复原型 组成：组成：积分器、比较器和积分复原开关等积分器、比较器和积分复原开关等滞回比较器滞回比较器5253积分复原型积分复原型V/f转换电路转换电路积分器在充电过程中的输出电压为：积分器在充电过程中的输出电压为：54积分复原型积分复原型V/f转换电路转换电路55电压频率转换电路n电荷平衡型56电压频率转换电路n电荷平衡型57电压频率转换电路n集成V/F转换器 LM1315859电压频率转换电路n集成V/F转换器6061f/V转换电路n通用通用f/V 转换电路转换电路 包括三个部分：包括三个部分：电平比较器，单稳态触发器和彽通电平比较器，单稳态触发器和彽通滤波器滤波器62f/V转换电路 Tw 0V 0V u2 uN uP Um UH UL 66RRRE+UH 0V 0V 0V ui u1 u2 UZ（扩展）63单稳态触发器的工作特点：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。64单稳态触发器的应用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65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66 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67f/V转换电路集成集成f/V转换器转换器稳态：稳态：Q=0暂稳态：暂稳态：Q=1暂稳态持暂稳态持续时间续时间由由Rt,Ct充电时间充电时间决定。决定。暂稳态时，暂稳态时，IS对对RL,CL充电充电68电压电流转换电路电压电流转换电路一、一、I/VI/V转换器转换器反向输入型反向输入型电流源内阻应足够大电流源内阻应足够大IsIs远大于偏置电流远大于偏置电流IbIb同向输入型同向输入型69电压电流转换电路电压电流转换电路一、一、V/IV/I转换器转换器70电压电流转换电路电压电流转换电路71一、集成一、集成V/IV/I转换器转换器电压电流转换电路电压电流转换电路72信号转换电路模拟数字转换电路73AD转换电路和DA转换电路的基础1 分辨率：（最低有效位）对应一个数字输出的模拟输入电压有一定的幅度范围，若超过这个幅度范围，数字输出就会发生变化，这样能分别的电压范围叫做分辨率。通常用LSB（Least Significant Bit)表示。AD和和DA转换电路是微型计算机与输入、输转换电路是微型计算机与输入、输出装置之间的接口，是数字化测控系统中的重要出装置之间的接口，是数字化测控系统中的重要组成部分。组成部分。74AD转换电路和DA转换电路的基础2 量化和量化误差：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某一最小当量的整数倍数值的过程称为量化量化量化量化。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。75AD转换电路和DA转换电路的基础2 量化和量化误差：76AD转换电路和DA转换电路的基础3 精度：精度：理想的理想的ADC是指不含量化误差以外的误差，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但实际上由于使用的元件和噪声等产生各种误差。精度是表示所含误差的比例，用刻度的百差。精度是表示所含误差的比例，用刻度的百分比或分比或PPM表示。精度分为绝对精度和相对精表示。精度分为绝对精度和相对精度。度。77DA转换器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 Din=d1x2-1+dnx2-n 如果D/A转换器的基准电压为UR,则理想D/A转换器的输出电压U0可表示为：U0=UR*Din=UR（d1x2-1+dnx2-n）78DA转换器D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率：当输入数字发生单位数码变化时，即分辨率：当输入数字发生单位数码变化时，即LSB变变化一次，所对应输出模拟量的变化量。化一次，所对应输出模拟量的变化量。精度：加给定数字代码时测得的实际模拟输出量与对精度：加给定数字代码时测得的实际模拟输出量与对应这个输入代码的理论模拟输出量之差。（由非线性应这个输入代码的理论模拟输出量之差。（由非线性误差、增益误差、失调误差等造成）误差、增益误差、失调误差等造成）建立时间：输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相建立时间：输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围（应数值范围（1/2LSB）所需的时间。）所需的时间。7980DA转换器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基准准电电压压源源，电电阻阻解解码码网网络络，电电子子开开关关阵阵列列和相相加加运运算算放放大大器器四部分组成。1 1 加权电阻网络电路加权电阻网络电路81DA转换器D/A转换器结构及原理1 1 加权电阻网络电路加权电阻网络电路82DA转换器D/A转换器结构及原理2 R-2R2 R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络83DA转换器D/A转换器结构及原理2 R-2R2 R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络84DA转换器集成D/A转换器 集成集成D/A转换器按转换方式可分为并行型、串行型和串并型。转换器按转换方式可分为并行型、串行型和串并型。(并行型是将并联的输入码同时进行转换，串行型是将串行的输入码逐位进行转换，串并型则是先将数字码转换成另一种形式，然后经滤波器取出模拟信号。单片DA转换器大多为并行则。)D/AD/A转换器按其制作工艺划分为双极型和转换器按其制作工艺划分为双极型和CMOSCMOS型两类。型两类。(目前高速双极型D/A转换器大多数采用不饱和晶体管电流模拟开关，建立时间可短到数十至数百纳秒。CMOS型D/A转换器采用CMOS模拟开关及驱动电路，它具有制造容易，造价低的优点，但转换速度日前不及双极型D/A转换器。)85DA转换器集成D/A转换器 UREF UCC Rf b Io1 Io2 CSDI11 DI10 DI1 DI0 XFER21BYBY1WR2WRDAC1208 4位输入锁存器 LE1 LE2 LE3 LSB MSB 8位输入锁存器 12位 DAC 锁存器 12位相乘型D/A 转换 电路 15 16 17 DI9 19 20 4 5 6 7 8 9 23 1 2 21 22 10 14 13 11 24 3 12&DI8 DI7 DI6 DI5 DI4 DI3 DI2 18 23 DAC120886DA转换器集成D/A转换器DAC120887AD转换器n 模拟量数字化包括采样采样、量化量化和编码编码三个阶段。n所谓采样即是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。时间离散后的采样信号如何能正确反映模拟信号的原貌，关键应使采样频率满足采样定理。n 时间离散后的采样信号，幅度取值仍是连续方式，需对其取值进行量化。这种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倍数值的过程称为量化。n一般编码与量化是同时完成的，通常所用的码制是二进制原码。A/D转换器的基本原理88AD转换器A/D转换器的基本性能指标分辨率分辨率量化误差量化误差转换精度转换精度转换速度转换速度89AD转换器A/D转换器的基本原理A/D转换器种类繁多一般可分为直接与间接转换器种类繁多一般可分为直接与间接型两类。型两类。90AD转换器转换器A/D转换器的基本原理转换器的基本原理1 双积分式双积分式A/D转换器转换器 (双斜率双斜率ADC）工作过程：工作过程：采样、比较两采样、比较两个阶段。个阶段。91AD转换器双积分式A/D转换器92逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器的工作原理可用天平秤重过转换器的工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克，每个重克，每个重量分别为量分别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx=13克，克，可以用下表步骤来秤量：可以用下表步骤来秤量：顺序顺序 砝码重砝码重 比较判断比较判断 暂时结果暂时结果 1、8g 8g13g保留保留 8g 12、8g+4g 12g13g撤消撤消 12g 04、8g+4g+1g 13g=13g保留保留 13g 1AD转换器2、逐次逼近式、逐次逼近式A/D转换器转换器实现原理是采用实现原理是采用逐次比较法，也逐次比较法，也叫二等分搜索法叫二等分搜索法93AD转换器2 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器94AD转换器3、并行比较式、并行比较式A/D转换器转换器 （流水线型）（流水线型）95AD转换器集成A/D转换器 集成逐次逼近式集成逐次逼近式A/D转换器是目前种类最多、数量最大、应用转换器是目前种类最多、数量最大、应用最广的最广的A/D转换器件。它也有两类产品，一类是以双极型微电子转换器件。它也有两类产品，一类是以双极型微电子工艺为基础，另一类是以工艺为基础，另一类是以CMOS工艺为基础，前者的转换速度效工艺为基础，前者的转换速度效高，后者转换速度稍低，但价格较低、功耗也小，而且转换速度高，后者转换速度稍低，但价格较低、功耗也小，而且转换速度也在不断提高。单片集成逐次逼近式也在不断提高。单片集成逐次逼近式A/D转换器的分辨力通常为转换器的分辨力通常为813位。位。集成双积分式集成双积分式A/D转换器广泛用于各类数字式仪表及低速数据转换器广泛用于各类数字式仪表及低速数据采集系统中。它们的性能采集系统中。它们的性能/价格比高，使用十分方便，这类器件价格比高，使用十分方便，这类器件主要为主要为CMOS单片集成三位半单片集成三位半5位半。位半。集成并行式集成并行式A/D转换器转换速度最快，但即使是中等分辨力的转换器转换速度最快，但即使是中等分辨力的转换器，也需要使用大量的低漂移电压比较器、因此目前这类产转换器，也需要使用大量的低漂移电压比较器、因此目前这类产品的位数都不高。品的位数都不高。96AD转换器集成A/D转换器 ADC080997AD转换器集成A/D转换器ADC0809 START GND 四四分分频频 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 单单片片机机八八路路模模拟拟输输入入单单片片机机98AD转换器集成A/D转换器ADC080999AD-DA转换器实例仿真 有一模数数模转换电路如图，试根据不同转换频率，仿真该电路REF1=REF2=10VIn 10sin4t1E9100A/D-D/A 仿真（采样频率 100Hz)101A/D-D/A 仿真（采样频率 500Hz)102-A/D转换器一、一、-模数转换器特点模数转换器特点 Sigma-Delta转换技术是目前高分辨率应用中非转换技术是目前高分辨率应用中非常通用的一项技术。常通用的一项技术。-模数转换器由于造价低、精度高、性模数转换器由于造价低、精度高、性能稳定及使用方便等特点，越来越广泛地使用在能稳定及使用方便等特点，越来越广泛地使用在一些高精度仪器仪表和测量设备中。一些高精度仪器仪表和测量设备中。Delta-Sigma转换器的特点是将绝大多数转换器的特点是将绝大多数的噪声从动态转移到阻态，通常的噪声从动态转移到阻态，通常Delta-Sigma转转换器被用于对成本与精度有较高要求的低频场合。换器被用于对成本与精度有较高要求的低频场合。103 我们通常使用的模数转换器（我们通常使用的模数转换器（ADC）大多）大多为积分型和逐次逼近型，积分型转换效果不够好为积分型和逐次逼近型，积分型转换效果不够好，转换过程中带来的误差比较大；逐次逼近型转，转换过程中带来的误差比较大；逐次逼近型转换效果较好但制作成本较高，尤其是高位数转换换效果较好但制作成本较高，尤其是高位数转换，转换位数越多，精度越高，制作成本就越高。，转换位数越多，精度越高，制作成本就越高。而而-ADC可以以相对逐次逼近型简单的电路可以以相对逐次逼近型简单的电路结构，而得到低成本，高位数及高精度的转换效结构，而得到低成本，高位数及高精度的转换效果果-ADC大多设计为大多设计为16或或24 bit转换精度。近转换精度。近几年来，在相关的高精度仪器制作领域该转换器几年来，在相关的高精度仪器制作领域该转换器得到了越来越广泛的应用得到了越来越广泛的应用一、一、-模数转换器特点模数转换器特点-A/D转换器104-模数模数转换器转换器增增量量调调制制105-A/D转换器增量调制增量调制106-A/D转换器增量调制增量调制107-A/D转换器增量调制增量调制108二、二、Sigma-Delta ADC原理简介原理简介-A/D转换器-模数转换器的工作原理简单的讲，就是将模数转换器的工作原理简单的讲，就是将 模数模数转换过后的数字量再做一次窄带低通滤波处理。当模转换过后的数字量再做一次窄带低通滤波处理。当模拟量进入转换器后，先在调制器中做求积处理，并将拟量进入转换器后，先在调制器中做求积处理，并将模拟量转为数字量，在这个过程中会产生一定的量化模拟量转为数字量，在这个过程中会产生一定的量化噪声，这种噪声将影响到输出结果，因此，采用将转噪声，这种噪声将影响到输出结果，因此，采用将转换过的数字量以较低的频率一位一位地传送到输出端，换过的数字量以较低的频率一位一位地传送到输出端，同时在这之间加一级低通滤波器的方法，就可将量化同时在这之间加一级低通滤波器的方法，就可将量化噪声过滤掉，从而得到一组精确的数字量。噪声过滤掉，从而得到一组精确的数字量。109110二、二、Sigma-Delta ADC原理简介原理简介-A/D转换器111Sigma-Delta转换器中最转换器中最 重要的组成部分有两个，重要的组成部分有两个，即：即：Sigma-Delta调制器调制器 数字滤波器数字滤波器，如图如图二、二、Sigma-Delta ADC原理简介原理简介-A/D转换器112二、二、Sigma-Delta ADC原理简介原理简介-A/D转换器Sigma-Delta调制器对模拟输入以大大高于耐奎斯调制器对模拟输入以大大高于耐奎斯特采样率的速度对模拟输入信号进行过采样，它的特采样率的速度对模拟输入信号进行过采样，它的输出是一位的比特流，比特流中输出是一位的比特流，比特流中1的密度对应着的密度对应着模拟输入的大小。模拟输入的大小。数字滤波器对比特流进行滤波进而得到非常高的转数字滤波器对比特流进行滤波进而得到非常高的转换分辨率。换分辨率。113二、二、Sigma-Delta ADC原理简介原理简介-A/D转换器图为一图为一阶的阶的Sigma-Delta调制器调制器的示意的示意图。图。Delta-SigmaDelta-Sigma转换器是采用超采样的方法将模拟电压转换成数字转换器是采用超采样的方法将模拟电压转换成数字量的量的1 1位转换器，它由位转换器，它由1 1位位ADCADC、位、位DACDAC与一个积分器组成。与一个积分器组成。Delta-SigmaDelta-Sigma转换器的优点表现在低成本与高分辨率，适合用于转换器的优点表现在低成本与高分辨率，适合用于现在的低电压半导体工业的生产。现在的低电压半导体工业的生产。114二、二、Sigma-Delta ADC原理简介原理简介-A/D转换器 Delta-Sigma转换器由差分放大器、积分器、比较器转换器由差分放大器、积分器、比较器与位的与位的DAC组成，输入信号减去来自组成，输入信号减去来自1位位DAC的信的信号将结果作为积分器的输入，当系统得到稳定工作号将结果作为积分器的输入，当系统得到稳定工作状态时，积分器的输出信号是全部误差电压之和，状态时，积分器的输出信号是全部误差电压之和，同时积分器可以看作是低通滤波器，对噪声有同时积分器可以看作是低通滤波器，对噪声有-6dB的抑制能力。积分器的输出用的抑制能力。积分器的输出用1位位ADC来转换，而后来转换，而后比较器将输出数字比较器将输出数字1和和0的位流。的位流。DAC将比较级的输将比较级的输出转换为数字波形，回馈给差分放大器。出转换为数字波形，回馈给差分放大器。115二、二、Sigma-Delta ADC原理简介原理简介-A/D转换器积分器将量化噪声伸展到整个频带宽度，从而使噪声成型，而滤波器可以积分器将量化噪声伸展到整个频带宽度，从而使噪声成型，而滤波器可以过滤掉绝大多数的成型噪声。有几个误差源会降低整个系统的效果，为了过滤掉绝大多数的成型噪声。有几个误差源会降低整个系统的效果，为了满足满足ADC的输入范围，很多信号要求一些放大电路和电平偏移电路，有时的输入范围，很多信号要求一些放大电路和电平偏移电路，有时放大器在放大器在ADC的内部，有时使用外部放大器。无论是哪一种情况，放大器的内部，有时使用外部放大器。无论是哪一种情况，放大器电压、电压漂移、输入偏置电流或采样噪声将引入误差信号。为了得到精电压、电压漂移、输入偏置电流或采样噪声将引入误差信号。为了得到精确的确的ADC转换结果，放大器的误差应该通过调整来消除或减少。积分器对转换结果，放大器的误差应该通过调整来消除或减少。积分器对输入低频或直流信号内置一个低通滤波器，从而极大地降低了通道内的噪输入低频或直流信号内置一个低通滤波器，从而极大地降低了通道内的噪声。声。典型的半导体放大器的噪声分为两个部分，典型的半导体放大器的噪声分为两个部分，1/F噪声和对地噪声，噪声和对地噪声，Delta-Sigma ADC的主要应用是在低频场合，因此的主要应用是在低频场合，因此1/F噪声的影响占主要地位。噪声的影响占主要地位。选择合适的放大器可以控制选择合适的放大器可以控制1/F噪声。由噪声频谱图可知，器件的噪声在噪声。由噪声频谱图可知，器件的噪声在高频主要是背景噪声，而在低频主要是高频主要是背景噪声，而在低频主要是1/F噪声，当越接近我们想要得到噪声，当越接近我们想要得到的直流信号时，的直流信号时，1/F噪声越大。人们通常把噪声越大。人们通常把1/F噪声想象成漂移，它是一个噪声想象成漂移，它是一个非常低频率的现象，常用的解决方法是采用窄波输入。非常低频率的现象，常用的解决方法是采用窄波输入。116二、二、Sigma-Delta ADC原理简介原理简介-A/D转换器Delta-Sigma即是利用超采样即是利用超采样的方法完成信号转换，而量的方法完成信号转换，而量化的作用是将连续的模拟信化的作用是将连续的模拟信号的幅度，变换成不连续的号的幅度，变换成不连续的电平。电平。利用超采样可将量化噪声分布到更宽的频率范围，从而降低了利用超采样可将量化噪声分布到更宽的频率范围，从而降低了背景噪声的电平。依靠背景噪声的电平。依靠1位位ADC后的数字滤波器，后的数字滤波器，Delta-Sigma转换器限制了噪声带宽。由于大部分噪声不能通过数字滤波器，转换器限制了噪声带宽。由于大部分噪声不能通过数字滤波器，带宽的有效噪声得到降低。将量化噪声分布在更宽的频率范围带宽的有效噪声得到降低。将量化噪声分布在更宽的频率范围内，而后用滤波器滤去大部分噪声的技术，即是内，而后用滤波器滤去大部分噪声的技术，即是Delta-Sigma转换器应用低分辨率的转换器应用低分辨率的ADC的基础。的基础。117二、二、Sigma-Delta ADC原理简介原理简介2、数据抽取滤波器、数据抽取滤波器-A/D转换器118二、二、Sigma-Delta ADC原理简介原理简介-A/D转换器119二、二、Sigma-Delta ADC原理简介原理简介-A/D转换器120几类几类A/D转换器的比较转换器的比较不同的不同的ADCADC有着不同的特性，对于有着不同的特性，对于Sigma-Delta ADCSigma-Delta ADC来讲，其分辨率可以达到来讲，其分辨率可以达到24bit24bit以上，但其采样速率以上，但其采样速率比较低。比较低。逐次逼近型逐次逼近型ADCADC比较适应于中等采样率、分辨率在比较适应于中等采样率、分辨率在16bit16bit以下的应用。管道以下的应用。管道ADCADC主要用于高采样率的应主要用于高采样率的应用，其分辨率则在用，其分辨率则在16bit16bit以下。以下。多比较器多比较器ADCADC也是一种高速也是一种高速ADCADC，但因为其体积和功，但因为其体积和功耗较大、分辨率较低，目前应用中很少使用它耗较大、分辨率较低，目前应用中很少使用它每一种类型的每一种类型的ADC都各具特性，下面重都各具特性，下面重点介绍三种类型。点介绍三种类型。121几类几类A/D转换器的比较转换器的比较122多比较器（多比较器（Flash）ADC中用到的比较器很多，中用到的比较器很多，如一个如一个8位的位的ADC就需要就需要255个比较器。该类产个比较器。该类产品采样速率确实很高，但因为多个比较器的存在，品采样速率确实很高，但因为多个比较器的存在，其功耗很大，而且管芯也较大。其功耗很大，而且管芯也较大。ADC0820、ADC1175等产品都是这种类型的等产品都是这种类型的ADC。数字跃升式数字跃升式ADC是用连续搜索的方法获得编码，是用连续搜索的方法获得编码，因为速率太慢、效率太低，因此很少使用。因为速率太慢、效率太低，因此很少使用。逐次逼近型逐次逼近型ADC因其功耗小、成本低、尺寸小以因其功耗小、成本低、尺寸小以及性能等方面的优点，成为了目前市场上最具成及性能等方面的优点，成为了目前市场上最具成本效益的本效益的ADC，也是最常见的，也是最常见的ADC。123