第六章第六章信号转换电路信号转换电路第一节第一节 采样保持电路采样保持电路第二节第二节电压比较电路电压比较电路第三节第三节电压频率转换电路电压频率转换电路第四节第四节电压电流转换电路电压电流转换电路从信息形态变化的观点将各种转换分为三种：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从自然界物理量到电量的转换电量之间的转换电量之间的转换从电量到物理量的转换从电量到物理量的转换l信号转换电路信号转换电路用于将各类型的信号进行转换。用于将各类型的信号进行转换。使具有不同输入、输出的器件可以联用。使具有不同输入、输出的器件可以联用。l应考虑：应考虑：转换电路应具有线性特性。转换电路应具有线性特性。阻抗的匹配。阻抗的匹配。第一节第一节 采样保持电路采样保持电路采样采样/ /保持电路：保持电路：l具有采集某一瞬间的模拟输入信号，并保持其值的具有采集某一瞬间的模拟输入信号，并保持其值的功能。功能。l在采样状态下：在采样状态下：电路的输出跟踪输入模拟信号。电路的输出跟踪输入模拟信号。l在保持状态下：在保持状态下：电路的输出保持采样结束时刻的瞬时模拟输入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。信号，直至进入下一次采样状态为止。l一般应用：信号的采集，自动补偿直流放大器的失一般应用：信号的采集，自动补偿直流放大器的失调和漂移。瞬态变量的测量等。调和漂移。瞬态变量的测量等。第一节第一节 采样保持电路采样保持电路一、基本原理一、基本原理组成：组成：1.模拟开关模拟开关2.模拟信号存储电容模拟信号存储电容3.缓冲放大器缓冲放大器Uc=1，S闭合：闭合：uo=ui,输出跟输出跟随输入变化。并随输入变化。并向电容向电容C充电。充电。Uc=0，S断开：断开：uo保持断开瞬保持断开瞬间的输入信号。间的输入信号。第一节第一节 采样保持电路采样保持电路第一节第一节采样保持电路采样保持电路捕捉时间：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：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。特性不好，它们限制了电路的工作速度。一、基本原理一、基本原理输入放大器输入放大器N1：具有优良转换速率和稳定驱动电容负载能具有优良转换速率和稳定驱动电容负载能力。它对力。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提供极低的提供极低的输出电阻。使电容输出电阻。使电容C在在S闭合时进可能快速充电，及时跟踪闭合时进可能快速充电，及时跟踪输入输入ui。输出放大器输出放大器N2：跟随器。其输入级由跟随器。其输入级由MOS场效应管组成。场效应管组成。以得到极低的输入偏置电流，它以极高的输入电阻使电容以得到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，实现保持功能。和负载隔离，实现保持功能。为了使所采集的信号能够正确反映输入模拟信号，除保证采为了使所采集的信号能够正确反映输入模拟信号，除保证采样样/保持器精度要求外，还必须符合采样定理。保持器精度要求外，还必须符合采样定理。采样过程：当模拟信号采样过程：当模拟信号ui=f(t)通过一个受采样脉冲信号通过一个受采样脉冲信号fs(t)控制的开关电路时，开关输出端的信号是时间离散信号。不控制的开关电路时，开关输出端的信号是时间离散信号。不难看出，采样脉冲的重复周期难看出，采样脉冲的重复周期Ts愈小，采样时间间隔愈短，愈小，采样时间间隔愈短，获得的离散信号亦愈多。获得的离散信号亦愈多。第一节第一节 采样保持电路采样保持电路l从离散信号中恢复原信号的必要条件是从离散信号中恢复原信号的必要条件是:若被采样的信号若被采样的信号f(t)的最高频率为的最高频率为fmax，为了为了复现该波形，必须要求采样间隔小于复现该波形，必须要求采样间隔小于1/(2fmax).也就是说采样频率也就是说采样频率fs大于模拟信号中最高频率的大于模拟信号中最高频率的2倍，倍，这便是采样定理的要求。这便是采样定理的要求。第一节第一节 采样保持电路采样保持电路采样定理采样定理采样频率采样频率fs应大于模拟信号最高频率应大于模拟信号最高频率fmax的两的两倍。倍。一、基本原理一、基本原理l对采样保持电路的主要要求：对采样保持电路的主要要求：精度精度速度速度l为提高实际电路的精度和速度，可从为提高实际电路的精度和速度，可从元件元件和和电路电路两方面着手解决。两方面着手解决。元件性能的影响和要求元件性能的影响和要求l输入输出缓冲器输入输出缓冲器特别需注意的参数：特别需注意的参数：输入偏置电流输入偏置电流以及以及带宽带宽，上升速率上升速率和和最大输出电流最大输出电流等性等性能参数。能参数。元件性能的影响和要求元件性能的影响和要求l模拟开关模拟开关模拟开关是一种在数字信号控制下将模拟信号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。和控制（驱动）电路两部分组成。控制电路开关元件元件性能的影响和要求元件性能的影响和要求l模拟开关的分类模拟开关的分类按切换的对象分：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：电压模拟开关的特点是：当开关断开时，跨于它当开关断开时，跨于它两端的电压总与被换接的电压两端的电压总与被换接的电压Vx有关，而且通过有关，而且通过开关的电流则与负载开关的电流则与负载RL有关。有关。电流模拟开关的特点是：电流模拟开关的特点是：不管负载电阻不管负载电阻RL的大小的大小如何，流过开关的电流总是和被换接的电流如何，流过开关的电流总是和被换接的电流Ix相等，相等，而且换接的电压则由而且换接的电压则由RL*Ix决定。决定。元件性能的影响和要求元件性能的影响和要求l模拟开关的分类模拟开关的分类按切换对象使用元件：按切换对象使用元件：机械触点式和电子式开关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，水银继电器及机械振干簧继电器，水银继电器及机械振子继电器等。子继电器等。电子式开关：电子式开关：二极管、双极性晶体管、场效应晶二极管、双极性晶体管、场效应晶体管、光耦合器件及集成模拟开关等。体管、光耦合器件及集成模拟开关等。元件性能的影响和要求元件性能的影响和要求l模拟开关的性能参数模拟开关的性能参数静态特性：静态特性：主要指开关导通和断开时输入端与输出端之间主要指开关导通和断开时输入端与输出端之间的电阻的电阻RonRon和和RoffRoff, ,此外还有最大开关电压、最此外还有最大开关电压、最大开关电流和驱动功耗等。大开关电流和驱动功耗等。动态特性：动态特性：开关动作延迟时间，包括开关导通延迟时间开关动作延迟时间，包括开关导通延迟时间TonTon和开关截止延迟时间和开关截止延迟时间ToffToff, , 通常通常TonTonToffToff, , 理想模拟开关时理想模拟开关时TonTon00，Toff0Toff0元件性能的影响和要求元件性能的影响和要求l模拟开关的性能参数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。启电压，导通电阻和反向漏电流等参数都应小。CD4051CD4051多路模拟开关多路模拟开关CD4051CD4051多路模拟开关多路模拟开关元件性能的影响和要求元件性能的影响和要求l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。l原因：原因：当电路从采样转到保持，介质的吸附效应会使电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，电，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。引起小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。逐渐减小，降低保持精度。什么是电容的吸附效应？什么是电容的吸附效应？l在实际电容器中，电容器介质在实际电容器中，电容器介质的偶极子及其界面极化的形成的偶极子及其界面极化的形成和消失都不可能瞬时实现，往和消失都不可能瞬时实现，往往需要一定的时间，因而使电往需要一定的时间，因而使电介质常数随信号频率和环境温介质常数随信号频率和环境温度变化，不能似为常数度变化，不能似为常数l实际电容器的仿真模型如右图实际电容器的仿真模型如右图所示，图中所示，图中C C为理想电容值，为理想电容值，R0R0为电容器的泄漏电阻，其余的为电容器的泄漏电阻，其余的阻容网络为则为介质吸附效应阻容网络为则为介质吸附效应的仿真。的仿真。什么是电容的吸附效应？什么是电容的吸附效应？l实验分析表明，阻容电路的时间实验分析表明，阻容电路的时间常数相差很大，可从几十毫秒到常数相差很大，可从几十毫秒到几十秒。几十秒。l（1）T充电时间充电时间MAX(T阻容电路阻容电路)切断充电切断充电（2）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阻阻容电路容电路).第一节第一节采样保持电路采样保持电路二、采样保持实用电路二、采样保持实用电路（1）模拟开关漏电流的旁路）模拟开关漏电流的旁路通过通过减小模拟开关漏电流减小模拟开关漏电流对存储电容的影响来提高保持精度的。对存储电容的影响来提高保持精度的。V为主开关，为主开关，V1为隔离开关为隔离开关当控制电压当控制电压Uc为高电平时为高电平时，V和和V1导通，电路处于采样阶段导通，电路处于采样阶段当控制电压当控制电压Uc为低电平时为低电平时，V和和V1关断，电路处于保持阶段关断，电路处于保持阶段在保持状态下在保持状态下，V的漏电流通过的漏电流通过R流入运算放大器的输出端。流入运算放大器的输出端。由于该漏电流在由于该漏电流在R上形成的压降很小，一般低于上形成的压降很小，一般低于10mV，所以，所以V1的漏极与衬底间的电压很小。同样，的漏极与衬底间的电压很小。同样，V1源极与衬底之间的源极与衬底之间的电压为运算放大器两输入端的电压差电压为运算放大器两输入端的电压差(即失调电压即失调电压)，也是很，也是很小的。小的。在这种条件下，在这种条件下，V1的漏电流大约减小两个数量级。的漏电流大约减小两个数量级。可见采用可见采用V1后能将后能将V与存储电容与存储电容C隔离，隔离，一方面使一方面使V的漏电流不流经存储电容，的漏电流不流经存储电容，另一方面又有效地降低了另一方面又有效地降低了V1的漏流，从而提高了存储电容的的漏流，从而提高了存储电容的保持精度。保持精度。二、采样保持实用电路二、采样保持实用电路（2 2）电容校正方法）电容校正方法应用应用补偿电容补偿电容C1C1来减小开关漏电流及运算放大器偏来减小开关漏电流及运算放大器偏置电流的影响。置电流的影响。 二、采样保持实用电路二、采样保持实用电路l当当Uc为高电平时：为高电平时：VD1VD1使使V1V1的的UGS1UP1(UGS1UP1(夹断电压夹断电压) )，开关，开关V1V1断开断开，这，这时时VD2VD2反偏使反偏使V V的的UGS=OVUGS=OV，开关，开关V V导通导通，从而使，从而使V2V2也也导通导通，导通电阻分别为，导通电阻分别为RonRon和和Ron2Ron2， 电路处于采电路处于采样状态，等效电路如图。样状态，等效电路如图。二、采样保持实用电路二、采样保持实用电路l当当Uc为高电平时：为高电平时：N1、N2和和R1构成负反馈电路，构成负反馈电路，N2用作跟随器，使用作跟随器，使uo=ui。由于主模拟开关由于主模拟开关V处于闭环回路中，所以其导通电阻处于闭环回路中，所以其导通电阻Ron以及以及N2的失调和漂移对精度的影响均大大地削弱。可见电路有很的失调和漂移对精度的影响均大大地削弱。可见电路有很高的采样精度。高的采样精度。存储电容存储电容C和反馈校正电容和反馈校正电容C1都引入时间常数，限制了电路都引入时间常数，限制了电路的工作速度。的工作速度。等效电路如图。等效电路如图。二、采样保持实用电路二、采样保持实用电路l当当Uc为低电平时：为低电平时：V和和V2截止，截止，V1导通，电路处于导通，电路处于保持状态保持状态，等效，等效电路如图所示电路如图所示二、采样保持实用电路二、采样保持实用电路l当当Uc为低电平时：为低电平时：等效电路等效电路V1导通使导通使N1继续处于负反馈闭环状态，避免继续处于负反馈闭环状态，避免N1处于开环而处于开环而进入深度饱和状态，以缩短进入深度饱和状态，以缩短S/H电路从保持状态到采样状态电路从保持状态到采样状态的过渡时间。的过渡时间。由于由于V和和V2为对称管，两管的泄漏电流值相等，且反馈补偿为对称管，两管的泄漏电流值相等，且反馈补偿电容电容C1=C，因而开关管泄漏电流、，因而开关管泄漏电流、N2的偏置电流将在的偏置电流将在C1、C上产生数值相同的电压变化量，而且两电容电压的变化对上产生数值相同的电压变化量，而且两电容电压的变化对输出电压输出电压uo的影响刚好相反，互相抵消，使输出电压基本的影响刚好相反，互相抵消，使输出电压基本不变。采用补偿电容措施，大约使保持精度提高一个数量级。不变。采用补偿电容措施，大约使保持精度提高一个数量级。（3）高速）高速S/H电路电路l用开环式采样用开环式采样/保持电路方案，选用高速元件，并保持电路方案，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时间。通过扩增驱动电流来减小存储电容的充电时间。（3）高速）高速S/H电路电路l在采样期间，在采样期间，UcUc为正，为正，V V与与V2V2导通，导通，V1V1截止。截止。lV1V1的导通将使的导通将使V V和和C C置于置于N1N1的闭环回路中，的闭环回路中，C C上的电压将等于上的电压将等于输入电压而不受输入电压而不受V V的导通电阻的影响，另外，由于的导通电阻的影响，另外，由于N1N1反相端反相端的偏置电流和的偏置电流和V1V1的漏电流都很小，的漏电流都很小，lV2V2导通电阻的压降极小，故其影响可以略去不计，所以导通电阻的压降极小，故其影响可以略去不计，所以C C上上的电压仍能非常精确地等于的电压仍能非常精确地等于N1N1反相端的电压。反相端的电压。l但与图但与图6-1-106-1-10相比，由于相比，由于N2N2未在反馈回路中，虽然未在反馈回路中，虽然N2N2使电路使电路工作速度得以提高，但它的漂移和共模误差在采样期间得不工作速度得以提高，但它的漂移和共模误差在采样期间得不到校正，会使采样误差增大。到校正，会使采样误差增大。l在保持期，在保持期，V V、V2V2截止。除了截止。除了V V外，外，V2V2也将产生漏电流。所以也将产生漏电流。所以保持精度也比图保持精度也比图6-1-106-1-10的差。的差。l由此可见，这个电路的速度提高是靠牺牲精度换来的。由此可见，这个电路的速度提高是靠牺牲精度换来的。（4）集成采样）集成采样-保持电路保持电路AD582（4）集成采样）集成采样-保持电路保持电路AD582l两级运算放大器两级运算放大器N1N1和和N2N2，模拟开关，模拟开关S S，门控制电路，门控制电路DG DG l应用时，引脚应用时，引脚3 3和和4 4之间外接之间外接1OOk1OOk电位器用以失调调零，电位器用以失调调零，l引脚引脚6 6外接保持电容外接保持电容C C：，其大小与采样频率和精度有关引脚：，其大小与采样频率和精度有关引脚1212输入控制信号输入控制信号UcUc。l图中，图中，AD582AD582的采样的采样- -保持输出信号送入保持输出信号送入A/DA/D转换器转换器AD571AD571的模的模拟量输入端，拟量输入端，AD571AD571的状态输出端与的状态输出端与AD582AD582的控制信号输入端的控制信号输入端相连接。相连接。A/DA/D转换器启动后，状态输出端为低电平，控制转换器启动后，状态输出端为低电平，控制AD582AD582内的开关内的开关S S断开，断开，AD582AD582处于保持状态，当处于保持状态，当A/DA/D转换器对转换器对模拟输入量的转换过程结束时，状态输出端立即变为高电平，模拟输入量的转换过程结束时，状态输出端立即变为高电平，使使AD582AD582内的开关内的开关S S闭合，使之又处于采样状态。闭合，使之又处于采样状态。第二节第二节电压比较电路电压比较电路l模拟电压比较电路是用来鉴别和比较两个模拟输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。入电压大小的电路。比较器的输出反映两个输入比较器的输出反映两个输入量之间相对大小的关系，量之间相对大小的关系，其符号和理想比较器特其符号和理想比较器特性如图性如图l当当uiUR时，比较器输出逻辑时，比较器输出逻辑0电平。电平。l当当ui=UR时，是输出发生变化的临界点。时，是输出发生变化的临界点。l可用器件：（可用器件：（1）通用运放。）通用运放。（2）专用比较器）专用比较器。 比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？（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，它一般低于般低于10-20ns10-20ns。响应时间响应时间与与放大器的上升速率和放大器的上升速率和增益增益- -带宽积带宽积有关。因此，必须选用这两项指标都有关。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。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）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措施，使它的高，低输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。平的要求。一、电平比较电路一、电平比较电路1、差动型电平比较电路、差动型电平比较电路门限电平门限电平UR也称基准电也称基准电压压当当UR=0时，时，称过零比较电路，又称称过零比较电路，又称鉴零器鉴零器。一、电平比较电路一、电平比较电路1、差动型电平比较电路、差动型电平比较电路门限电平门限电平URUR接至比较器的一个输入端，接至比较器的一个输入端， 待比较的输入电压接比较器的另一个输入端，待比较的输入电压接比较器的另一个输入端， 若将若将URUR与与uiui对调，则传输特性相反。对调，则传输特性相反。由于比较器本身有失调电压由于比较器本身有失调电压uosuos，若要比较电路检测毫伏级的微弱信号，必须根据若要比较电路检测毫伏级的微弱信号，必须根据uosuos的极性，事先在的极性，事先在URUR中消除这个中消除这个uosuos值。值。 当当UR=OUR=O时，时， 称过零比较电路，又称鉴零器。称过零比较电路，又称鉴零器。2、求和型电平比较电路、求和型电平比较电路输入电压输入电压ui ui 和和URUR均加在运算放大器的反相端，因均加在运算放大器的反相端，因相加点相加点的电位始终接近于零电位，所以不会的电位始终接近于零电位，所以不会造成共模误差。造成共模误差。门限电平门限电平UR为为:2、求和型电平比较电路、求和型电平比较电路电路特点：电路特点：l门限电压不门限电压不仅与仅与U有关，有关，而且与电阻而且与电阻R1与与R2的比值有关，的比值有关，门限电压选择灵活。门限电压选择灵活。l输出的高、低电平分别为运算放输出的高、低电平分别为运算放大器的正、负饱和电位，大器的正、负饱和电位，l加入箝位电路，可输出所要求的加入箝位电路，可输出所要求的逻辑电平。逻辑电平。l对于缓慢变化的输入信号，当其接近于门限电平时，叠加对于缓慢变化的输入信号，当其接近于门限电平时，叠加在它上的干扰信号在它上的干扰信号un会使会使比较器产生误翻转，比较器产生误翻转，“振铃振铃”现象，现象，如图。如图。l为克服比为克服比较器的较器的振铃振铃现象，可采用滞回比较现象，可采用滞回比较路。路。2、求和型电平比较电路、求和型电平比较电路二、滞回比较电路二、滞回比较电路从电路的输出端至运算放大器同相输入端之间引入一从电路的输出端至运算放大器同相输入端之间引入一个正反馈，个正反馈，就构成滞回比较器就构成滞回比较器二、滞回比较电路二、滞回比较电路l设比较器输出高电平、低电平设比较器输出高电平、低电平UoHUoH、UoLUoL，l两个门限电压两个门限电压U1U1和和U2U2分别为分别为: :U1和和U2的差值的差值U称为滞后电平，其值为：称为滞后电平，其值为：二、滞回比较电路二、滞回比较电路l滞后电压可用滞后电压可用R1或或R2来调节，来调节，l合理选择其大小，使之稍大于预计合理选择其大小，使之稍大于预计的干扰信号，的干扰信号，就可消除上述就可消除上述“振铃振铃”现象，从而大大提高抗干现象，从而大大提高抗干扰能力。扰能力。l但加宽输入转换区，就不可能规定很窄的比较电但加宽输入转换区，就不可能规定很窄的比较电平，使检测误差加大，所以平，使检测误差加大，所以U不宜取不宜取得过大。得过大。l滞回比较器也常用于：把积分延时波形变换成快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，或速上升方波，或把慢速变化（如正弦波等）信号把慢速变化（如正弦波等）信号整形为快速变化的脉冲性方波，整形为快速变化的脉冲性方波，有时为了消除过有时为了消除过渡电平中干扰的影响，也用它作整形电路。渡电平中干扰的影响，也用它作整形电路。三、窗口比较电路三、窗口比较电路判断判断ui是否在两个电平之间，需采用窗口比较电路是否在两个电平之间，需采用窗口比较电路三、窗口比较电路三、窗口比较电路l它由两个电压比较器和一个与非门构成。图中，它由两个电压比较器和一个与非门构成。图中，电源电源E和和稳压管稳压管Vs及电阻及电阻R1、R2和和Rp构成基准电压电路。构成基准电压电路。l下限比较器下限比较器N2反相输入端的基准电压为反相输入端的基准电压为:UR2=E-Uzl上限比较器上限比较器N1同相输入端的基准电压为同相输入端的基准电压为:UR1=l当当uiUR2时时:U01=1,U02=0，则则U0=1;l当当UR2uiUR1时时:U01=0,U02=1，则则U0=1。ll窗口的位置由窗口的位置由URl、UR2决定，决定，l窗口的窗口的宽度宽度:U=UR1-UR2=KUZ，取决于，取决于R1和和Rp的分压的分压系数系数K。l窗口比较电路的用途很广，如在产品的自动分选、质量鉴窗口比较电路的用途很广，如在产品的自动分选、质量鉴别等场合均用到它。别等场合均用到它。第三节第三节电压频率转换电路电压频率转换电路一、一、V/f V/f 转换器转换器l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，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控制压控制( (压控压控) )振荡器振荡器(VCO)(VCO)。l应用：应用：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得到到非常广泛的应用。非常广泛的应用。1、用通用运放组成、用通用运放组成V/f转换电路转换电路l电路主要包括积分器、比较器和积分复原开关等。电路主要包括积分器、比较器和积分复原开关等。1、用通用运放组成、用通用运放组成V/f转换电路转换电路l电路主要包括积分器、比较器和积分复原开关等。电路主要包括积分器、比较器和积分复原开关等。1、用通用运放组成、用通用运放组成V/f转换电路转换电路l由由N2、R5-R8组成的滞回比较器的正相输入端两组成的滞回比较器的正相输入端两个门限电平为：个门限电平为：Uz:输出限幅电压，其大小由稳压管输出限幅电压，其大小由稳压管VS2和和VS3的稳的稳压值所决定。压值所决定。lN1N1组成的积分器输出组成的积分器输出ucuc为零。由比较器特性可知为零。由比较器特性可知, ,此时此时: :比比较器输出较器输出uouo为负向限幅电压为负向限幅电压 -Uz -Uz，l开关管开关管V V截止，比较器同相端电压截止，比较器同相端电压upup为负向门限电为负向门限电 平平U2U2当输入信号当输入信号当输入信号当输入信号ui=0ui=0时，时，时，时，l积分器输出电压积分器输出电压ucuc负向增加，负向增加，ucU2uc0ui0时，时，时，时，l同时，同时，uouo通过正反馈电路使比较器同相端电压通过正反馈电路使比较器同相端电压upup突突变为变为U1U1，从而锁住比较器的输，从而锁住比较器的输 出状态不随积分器出状态不随积分器输出回升而立即翻转。输出回升而立即翻转。当输入信号当输入信号当输入信号当输入信号ui0ui0时，时，时，时，l当积分器输出回升到当积分器输出回升到ucU1ucU1时，时，比较器输出又由正比较器输出又由正向限幅电压突变为负向限幅电压，向限幅电压突变为负向限幅电压，V V又处于截止状又处于截止状态，同时态，同时upup恢复为恢复为U2U2，积分器重新开始积分。，积分器重新开始积分。当输入信号当输入信号当输入信号当输入信号ui0ui0时，时，时，时，1、用通用运放组成、用通用运放组成V/f转换电路转换电路l积分器输出一串负向锯齿波电压，积分器输出一串负向锯齿波电压，l比较器输出相应频率的矩形脉冲序列，比较器输出相应频率的矩形脉冲序列，各级输出波各级输出波形如图。形如图。 1、用通用运放组成、用通用运放组成V/f转换电路转换电路1、用通用运放组成、用通用运放组成V/f转换电路转换电路l输入电压越大，积分电输入电压越大，积分电容容C充电电流及锯齿波电压充电电流及锯齿波电压的斜率就越大，因此每次达到负向门限电压的斜率就越大，因此每次达到负向门限电压Uz的的时间也越短，输出脉冲的频率就越高。时间也越短，输出脉冲的频率就越高。令充电持续时间令充电持续时间为为T1，则有，则有:积分器在充电过积分器在充电过程的输出电压为程的输出电压为: 对于放电过程，放电电流对于放电过程，放电电流是个变数，其平均值为是个变数，其平均值为:rce: rce: 晶体管晶体管V V的集电的集电结结cece结电阻。结电阻。放电持续时间放电持续时间T2为为: l充放电周期为充放电周期为: l周期周期T包括两项包括两项:第一项由输入电压对电容第一项由输入电压对电容C的充电过程决定，的充电过程决定，f-V关系是线性的关系是线性的;第二项为一常数，它的大小由第二项为一常数，它的大小由C的放电过程决定，的放电过程决定，是给是给f-V关系带来非线性的因素。关系带来非线性的因素。l为提高为提高V/f转换的线性度，要求转换的线性度，要求:l在上述条件下，放在上述条件下，放电时间可以忽略，电时间可以忽略，输出脉冲的频率为输出脉冲的频率为:2、集成、集成V/f转换器转换器l优点优点:精度高、线性度高、温度系数低、功耗低及精度高、线性度高、温度系数低、功耗低及动态范围宽等一系列优点，动态范围宽等一系列优点，广泛应用于数据采集、自动控制和数字化广泛应用于数据采集、自动控制和数字化及智能化测量仪器中。及智能化测量仪器中。l集成集成V/F转换器转换器l集成集成V/F转换器转换器二、二、f/Vf/V转换电路转换电路l把频率变化信号线性地转换成电压变化信号的转换把频率变化信号线性地转换成电压变化信号的转换器称为器称为f/Vf/V转换器。转换器。 l主要包括电平比较器、单稳态触发器和低通滤波器主要包括电平比较器、单稳态触发器和低通滤波器三部分。三部分。输入信号输入信号uiui通过比较器转换成快速上升通过比较器转换成快速上升/ /下降的下降的方波信号去触发单稳态触发器，产生定宽方波信号去触发单稳态触发器，产生定宽(Tw)(Tw)、定幅度定幅度(Um)(Um)的输出脉冲序列。的输出脉冲序列。 将此脉冲序列经低通滤波器平滑，可得到比例于将此脉冲序列经低通滤波器平滑，可得到比例于输入信号频率输入信号频率fifi的输出电压的输出电压: uo=TwUmfi : uo=TwUmfi 1 1、通用运放、通用运放f/Vf/V转换电路转换电路lN1N1构成滞后比构成滞后比 较器，较器， lN2N2构成单稳态电构成单稳态电 路，路，lN3N3构成低通滤波器，构成低通滤波器，lN1N1构成滞后比较器，输入有二极管构成滞后比较器，输入有二极管VD1VD1、VD2VD2限幅保护限幅保护 lN1N1将输入信号转换成频率相同的方波信号，再经微分电容将输入信号转换成频率相同的方波信号，再经微分电容C1C1和二极管和二极管VD3VD3把上升窄脉冲送至把上升窄脉冲送至N2N2。lN2N2构成单稳态电构成单稳态电 路，常态下其反相输入路，常态下其反相输入uNuN为负电位，使输出为高电平，为负电位，使输出为高电平，V1V1、V2V2导通，这时导通，这时u2u2为低电平。为低电平。 l正触发脉冲使正触发脉冲使N2N2迅速翻转输出低电平，迅速翻转输出低电平，V1V1截止，截止，u2u2上升上升 为高电平，为高电平， l它等于稳压管它等于稳压管VsVs的稳压值的稳压值Um, Um, luNuN保持高电平保持高电平UH,UH,如图如图b b。同时。同时V2V2截止，使截止，使C C通过通过R R充电，经过充电，经过TwTw时间，时间，upup上升到上升到UHUH以上使以上使N2N2再次翻转再次翻转“复复 位位”，单稳过，单稳过程结束。程结束。l图图b b由由u2u2输出定宽输出定宽(Tw)(Tw)、定幅度、定幅度(Um)(Um)的脉冲，其占空比随输的脉冲，其占空比随输入频率的升高而增大。入频率的升高而增大。1 1、通用运放、通用运放f/Vf/V转换电路转换电路由图由图a电路可得电路可得V1截止时截止时N2反相输入端的电位：反相输入端的电位：根据根据RC电路瞬态过程的基本公式：电路瞬态过程的基本公式：充电前：充电前：充电时间无穷大时，充电时间无穷大时，up()=E;充电结束时充电结束时up(Tw)=UH。计算出计算出RC充电至充电至UH所用的充电时间：所用的充电时间：由由N3构成低通滤波器，输出电压平均值是：构成低通滤波器，输出电压平均值是：f/Vf/V转换电路转换电路 Tw 0V 0V u2 uN uP Um UH UL 66RRRE+ UH 0V 0V 0V ui u1 u2 UZ （扩展） 2、集成、集成f/Vf/V转换电路转换电路稳态：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充电第四节第四节电压电流转换电路电压电流转换电路l在远距离监控系统中，必须把监控电压信号转换成在远距离监控系统中，必须把监控电压信号转换成电流信号进行传输，以减少传输导线阻抗对信号的电流信号进行传输，以减少传输导线阻抗对信号的影响。影响。l在进行信号转换时，为了保证一定的转换精度和较在进行信号转换时，为了保证一定的转换精度和较大的适应范围，要求大的适应范围，要求I/V转换器有低的输入阻抗及转换器有低的输入阻抗及输出阻抗，输出阻抗，而而V/I转换器有高的输入阻抗及输出阻转换器有高的输入阻抗及输出阻抗。抗。一、一、I/V转换器转换器输入电流信号转换为与之成线性关系的输出电压信号。输入电流信号转换为与之成线性关系的输出电压信号。要求电流源要求电流源is的内阻的内阻Rs必须很大，必须很大，否则，输入失调电否则，输入失调电压将被压将被放大放大(l+R1/Rs)倍，产生较大误差。倍，产生较大误差。而且，电流而且，电流is需远大于运需远大于运算放器输入偏置电流算放器输入偏置电流Ib。一、一、I/V转换器转换器lR1值根据电流输出器件值根据电流输出器件(如传感器如传感器)对负载的要求确对负载的要求确定，一般为几百欧姆数量级。定，一般为几百欧姆数量级。l当当R1确定确定后，可根据后，可根据i与与uo的范围决定的范围决定R2及及R3。一、一、I/V转换器转换器l微电流放大电路：微电流放大电路：在用光电池、光电二极管作检测在用光电池、光电二极管作检测元件时，由于它们的输出电阻很高，元件时，由于它们的输出电阻很高，可把它们看作可把它们看作电流源，通常情况下其电流的数值极小，电流源，通常情况下其电流的数值极小，所以是一所以是一种微电流的测量。种微电流的测量。l随着激光、光纤技术在精密测量仪器中的普及应用，随着激光、光纤技术在精密测量仪器中的普及应用，微电流放大器越来越占有重要的位置。微电流放大器越来越占有重要的位置。l图图b所示电路可以用来作微电流放大器。所示电路可以用来作微电流放大器。由于运算由于运算放大器的开环输入电阻不是无穷大而是一个有限值，放大器的开环输入电阻不是无穷大而是一个有限值，它本身的输入偏置电流它本身的输入偏置电流Ib不为零，所以总是有误差不为零，所以总是有误差存在。存在。一、一、I/V转换器转换器l因此因此为了获得高精度的微电流放大器，必须选用开为了获得高精度的微电流放大器，必须选用开环输入电阻高、环输入电阻高、Ib小的场效应晶体管输入型运算放小的场效应晶体管输入型运算放大器。大器。但这种运算放大器的但这种运算放大器的Ib随温度上升而成倍增随温度上升而成倍增加。加。l采用采用T T形网络电路组形网络电路组成的微电流放大电路成的微电流放大电路有时也能取得较好的有时也能取得较好的效果，效果， 以反相输入型以反相输入型为例，其原理如图为例，其原理如图一、一、I/V转换器转换器由上式可知，由上式可知，可以采用较小的可以采用较小的R1和和R3的阻值，的阻值，仍能满足一定放大倍数的要求。仍能满足一定放大倍数的要求。l在理想情况下有在理想情况下有: 二、二、V/I转换器转换器l不仅要求输出电流与输入电压具有线性关系，不仅要求输出电流与输入电压具有线性关系，l而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不超过允许值，即转换器具有恒流性能。不超过允许值，即转换器具有恒流性能。V1构成倒相放大级构成倒相放大级V2构成电流输出级构成电流输出级Ub为偏置电压，并为偏置电压，并以进行零位平移。以进行零位平移。由于电路采用电流并由于电路采用电流并联负反馈联负反馈因此具有因此具有较好的恒流性能。较好的恒流性能。l利用叠加原理，可求出在利用叠加原理，可求出在ui、Ub、输出电流、输出电流io作用作用下，输出：考虑只有输入电压下，输出：考虑只有输入电压ui作用时，因作用时，因R3RL,故有故有:考虑只有输出电流考虑只有输出电流io作用时作用时:如果运放开环增益及输入电阻足够大，则有如果运放开环增益及输入电阻足够大，则有:取取R1=R2,R3=R4，则，则:在在Ub作用下，因作用下，因R4R7+RL: END