信号采集原理

信号转换电路第一节采样保持电路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：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采样保持电路•基本性质）为发出保持命令的时刻保持期(t000tutuuii采样期捕捉时间：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，电路的保持特性不好，它们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a)OtTsui,uoOtuof(t)fs(t)第一节采样保持电路fOfminfmaxa)F(f)b)E0E1E2Ofs2fsfFs(f)Ofminfmaxfs-fmaxfs+fmaxfs2fsfF(f)*Fs(f)fs＋fminfs－fmin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。元件性能的影响和要求•输入输出缓冲器SUcuouiC∞-++N1∞-++N2特别需注意的参数：输入偏置电流以及带宽，上升速率和最大输出电流等性能参数。元件性能的影响和要求•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。控制电路开关元件元件性能的影响和要求•模拟开关的分类按切换的对象分：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则与负载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。元件性能的影响和要求•模拟开关的分类（电压和电流开关）VXVKRLIKRLIx(a)电压开关(b)电流开关元件性能的影响和要求•模拟开关的分类（电压和电流开关）-+R1R2+VRV0V0-+R1R2+VR元件性能的影响和要求•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：干簧继电器，水银继电器及机械振子继电器等。电子式开关：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。元件性能的影响和要求•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Ton→0，Toff→0元件性能的影响和要求•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。模拟开关•增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型）DBSGuiuoucib)SBDGuiuoucia)uioRonOui模拟开关•CMOS开关电路uiuouGPuGN+E-EuioRonRon(C)Ron(N)Ron(P)uiOa)b)集成模拟开关•CMOS开关电路ucui+E图6-6含辅助电路的CMOS开关电路uo-ED2DG111V3V4V3V411DG2uc-EV2V1V5+E多路模拟开关023567输入/输出ABC输出/输入+E-E1-E2逻辑电平转换电路8选1译码电路1314151215241611109687INHS1S2S3S4S5S6S7S8图6-7CD4051原理图14元件性能的影响和要求•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，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上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持精度）什么是电容的吸附效应？•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和消失都不可能瞬时实现，往往需要一定的时间，因而使电介质常数随信号频率和环境温度变化，不能似为常数•实际电容器的仿真模型如右图所示，图中C为理想电容值，R0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的仿真。1什么是电容的吸附效应？•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。•（1）T充电时间《MAX(T阻容电路)切断充电（2）T充电时间》MAX(T阻容电路)切断电源将电容器短路，且T短路时间《（3～5）MAX(T阻容电路).1总结从元件方面来看，提高精度的重要措施是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响。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电流大的运算放大器。精度提高的方法（电路）（1）模拟开关漏电流的旁路Uc∞-++NR-EV1uiCuoV精度提高的方法（电路）（2）电容校正方法uouiCVUcVD1VD2V1∞-++N2∞-++N1R1C1R3R2V2Cuo∞-++N2∞-++N1uiC1Ron2Ronb)Cuo∞-++N2∞-++N1uiR1C1Ron1精度提高的方法（电路）（2）电容校正方法的矛盾精度《》速度Cuo∞-++N2∞-++N1uiC1Ron2Ronb)提高速度的方法（电路）减少反馈回路中的时间常数数目来提高速度∞-++N1∞-++N2UcuoCuiV1R1R2VV2VD1VD2单片集成采样－保持电路&1234567891011121314?/#模拟量输入状态AD571偏移调节C+5VAD582uoui∞-++N1∞-++N2UcSDG#总结•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信号转换电路(二)电压比较电路电压频率转换电路电压比较电路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，彽输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。电压比较电路一电平比较电路（单阈值比较器）（a）差动比较电路-1+1#uiUoURuiURuiUoUROuiURa)b)图6-12电压比较器及其特性电压比较电路一电平比较电路（b）求和比较电路（阈值可变）优点：阈值可变缺点：振零现象a)∞-++uiUoUR1R2RΣURuiunMNPQUoVRRVR21电压比较电路二滞回比较电路（正反馈阈值）两个阈值：a)b)uiUoU1OU2-1+1#uiUoURRR2R1单方向单阈值电压比较电路三窗口比较电路-1+1#&-1+1#uiVSER1RPR2Uo1Uo2UoUZN2N1UR2UR1“1”“0”OUUR2UR1uiUo单方向多个阈值电压频率转换电路•V/f转换器定义：V/f(电压/频率)转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号，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-UV∞-++N1∞-++N2R2-EuiR1R3CR4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo•积分复原型组成：积分器、比较器和积分复原开关等OU1U2uTuoT1T2tuCU2U1ttOOuP电压频率转换电路•电荷平衡型A1－＋A2＋－定时电路CFRfusc1usc2Ij-EIfI1D1D2-Emusc3电压频率转换电路•电荷平衡型Ifusc1usc2usc30000I10EmtttttIj－Em电压频率转换电路•集成V/F转换器CL精密电流源电流开关RS触发器基准电源-+基准比较器-+输入比较器-+定时比较器RRtCtiSRS45678123偏流SRQ复位输出保护驱动定时域值比较输入+U1.9V电流输出基准电压频率输出Q2RRLVuo电压频率转换电路-1+1#单稳态定时器QiSuo43576128RLCLuiRSSRtCt+Uu6u5+EV#Q器输入比较•集成V/F转换器b)约10mVOOTtottu6uiuof/V转换电路•通用f/V转换电路包括三个部分：电平比较器，单稳态触发器和彽通滤波器R12RCR3R4=100R3u1-E+EuoC1R5uNuPVD3VD4R9R7R89V2R6R10V1VSUmR2u2R11ui+E-EVD1VD2R1C2∞-++N1∞-++N2∞-++N3+Ef/V转换电路Tw0V0Vu2uNuPUmUHUL66RRRE+UH0V0V0Vuiu1u2UZ（扩展）单稳态触发器的工作特点：①具有一个稳态和一个暂稳态两种工作状态。②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。③暂稳态维持时间的长短取决于电路的参数。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转换器图6-20LM131用作f/V转换电路原理图+URS触发器-+输入比较器uiRtCtRLiSiSCLRS45678123SRQ-+定时比较器RdCdR1R2R2RVu6U1U2u5U-U7SuoQ＃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充电信号转换电路模拟数字转换电路AD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容1分辨率：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（LeastSignificantBit)表示。AD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容2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某一最小当量的整数倍数值的过程称为量化。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。AD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容2量化和量化误差：a)f(t)tF8F6F5F4F3F2F101234567F7Ob)f1(t)t01234567011101111111110100011101对应编码'1F'2F'3F'4F'5F'6F'7F'8FAD转换电路和DA转换电路的基础理解定义和内容3精度：理想的ADC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差。精度是表示所含误差的比例，用刻度的百分比或PPM表示。精度分为绝对精度和相对精度。AD转换器A/D转换器的基本原理1双积分式A/D转换器#-1+1电子开关计数器控制逻辑数据输出标准时钟RCUiUR-URUC∞-++