第六章-信号转换电路

第六章信号转换电路知识回顾：1.对测控电路的主要要求有哪些？2.为什么说测控电路是测控系统中最灵活的环节？对信号转换电路的要求：线性转换较大的输入阻抗较大的驱动能力和动态范围其它应用要求信号转换电路分类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---传感器②电量之间的转换（★）③从电量到物理量的转换---调节器第二节电压比较电路功用比较和鉴别两个模拟输入电压大小波形变换——非正弦信号（方波、三角波等）运算放大器必须工作在非线性区+非线性区输出电压与输入电压之间Uo≠Aod（U+-U-）特点（1）输出电压只有两种可能的状态：Uo+或Uo-，而Uo+不一定等于Uo-。当U+＞U-时Uo=Uo+U+＜U-时Uo=Uo-（2）运放的输入电流等于零。集成运放的工作区分为线性区和非线性区电压比较器及其特性-1+1#uiUoURuiURuiUoUROuiURa)b)图6-12电压比较器及其特性当ui＞UR时,Uo=“0”ui＜UR时,Uo=“1”UR被称作门限电平或基准电压。电平比较电路（单限比较）差动型电平比较电路求和型电平比较电路滞回比较电路（单限比较）窗口比较电路（双限比较）电压比较器的分类一、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当uiUR时，UO=0(逻辑低电平）uiUR时，UO=1(逻辑高电平）；由于失调电压的存在，在精密的比较中必须补偿输入失调电压；若UOS在同相输入端为正，若阈值为UR，则比较器输入参考电平应为UR-UOS;UR=0时，称为过零比较器，又称鉴零器。缺点：当ui=UR时，存在共模电压。noomaxnoomaxU0,U=+UU0,U=-U（b）求和型电平比较电路Inn12In1221U-UU-URU+RU+=0U=RRR+R1Ioomax21Ioomax2RU-U,U=-URRU-U,U=+URURuiunMNPQUo优点：阈值可变，不会造成共模电压缺点：振铃现象12R-UR称为门限电平。a)∞-++uiUoUR1R2RΣuiURuiUoUROuiUR1Ikzd21Ikzd2RVVVoVV)RRVVVoVV)R－，＝＋(＋－，＝-(＋为了得到我们所需要的逻辑电平，一般在输出端加上限幅电路或者箝位电路。二、滞回比较电路PORP21U-UU-U=RR12PRO1212RRU=U+UR+RR+R设UOm＋＝－UOm－＝UomUIUP，UOm＋＝UomUIUP，Uom－＝－Uom由于UO有两个值UOL和UOH，所以UP也有两个，分别记为U1和U2：U1——下限触发电平U2——上限触发电平a)b)uiUoU1OU2-1+1#uiUoURRR2R1从电路的输出端到运算放大器同相输入端间引入一正反馈。优点：可以消除“振铃”现象。但是，回差电压要合理选取可以用作波形变换电路或整形电路。22221OHOLOM121212RR2RUU=UUUR+RR+RR+R回差电压：－为了得到我们所需要的逻辑电平，一般在输出端加上限幅电路或者箝位电路。如图所示。三、窗口比较电路用于检测输入信号电压是否在两个基准电压之间。Ui单方向变化时，Uo变化两次。21122/()RZRZPPRZRUEUUURRRUKUU-1+1#&-1+1#uiVSER1RPR2Uo1Uo2UoUZN2N1UR2UR1“1”“0”OUUR2UR1uiUo基准电压电路下限比较器上限比较器当uiUR2时，Uo1=“1”，Uo2=“0”，则Uo=“1”；当UR2uiUR1时，Uo1=“1”，Uo2=“1”，则UO=“0”；当uiUR1时，Uo1=“0”，Uo2=“1”，则UO=“1”。可调当VLvIVH时，vOA1=VOL→D3截止，vOA2=VOL→D4截止,vO=VOL=0；当vIVH时，vOA1=VOH→D3导通，vOA2=VOL→D4截止,vO=VO1当vIVL时，vOA1=VOL→D3截止，vOA2=VOH→D4导通,vO=VO2；不可调比较器的应用电路1vi和光成正比。在白天，光电探测器中的输出信号使得viVREF，此时，vo在Vs＝－15V附近，晶体管截止。在夜间，viVREF,vo在Vs＝＋15V附近，此时晶体管导通；继电器开关中的电流就使街灯打开。在傍晚和黎明，vi＝VREF。比较器的应用电路2用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出。由迟滞比较器组成的方波发生器223PzRVVRR电源刚接通时，设此时，电容C充电，vc升高。所以当vc＝VN≥VＰ时，vo＝-Vz，所以电容C放电，vc下降。当vc＝VN≤VＰ时，vo＝+Vz，返回初态。223PzRVVRR窗口比较器应用——三极管值分选电路当被测三极管的150或250，LED不亮，表示不合格；当150250，LED亮，表示合格。已知电源电压Vcc=12V，三极管集电极电阻R2=2K。R31kR1*R22kW21KW310K被测三极管LED132184IC1A567IC1B12VW1100KRbUref1Uref2Uc注：10vUref1Uref2LM393电压比较器电平比较电路（单限比较）差动型电平比较电路输入失调电压影响，存在共模电压；求和型电平比较电路没有共模电压，存在振铃现象；滞回比较电路（单限比较）具有迟滞回差形状；可以消除振铃现象，回差电压越小，抗干扰特性越好。窗口比较电路（双限比较）具有两个门限电压。电压比较器小结第三节电压频率转换电路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，调相和A/D变换等许多技术领域得到非常广泛的应用。分类：积分复原型和电荷平衡型两种。第三节电压频率转换电路-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7616767ZRRUUURRRR7626767ZRRUUURRRR由N2、R5～R8组成的滞回比较器的正相输入端两个门限电平为（1）ui＝0，uC＝0，uo输出负向限幅电压。V截止。-UV∞-++N1∞-++N2R2-EuiR1R3CR4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo（2）ui0，uC负向增加，uC≥U2时，比较器输出uo由负向限幅电压突变为正向限幅电压，V导通，电容C通过R3放电，积分器输出迅速回升。uo通过正反馈电路使比较器同相端电压up突变为U1。（3）当积分器输出回升到uC≥U1时，比较器输出又由正向限幅电压突变为负向限幅电压，V又处于截止状态，同时up恢复为U2，积分器重新开始积分。OU1U2uTuoT1T2tuCU2U1ttOOuP电压频率转换电路OU1U2uTuoT1T2tuCU2U1ttOOuP输入电压越大，积分电容C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U2的时间也越短，输出脉冲的频率就越高。积分器在充电过程的输出电压为011tCiutudtRC令充电持续时间为T1，则有1121iuTUURC1121iRCUUTu-UV∞-++N1∞-++N2R2-EuiR1R3CR4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo（1）充电时间T1设rce为晶体管V的集电结ce结电阻。因此，充放电周期为为提高V/f转换的线性度，要求第一项远远大于第二项011211ifuTRCUU-UV∞-++N1∞-++N2R2-EuiR1R3CR4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo（2）放电时间T21232()ceUUIRr放电持续时间T2为21212312||||2()ceUUUUTCRrCIUU311212122()()[||]ceiRrCRTTTUUCuUU特点因为复位电路具有非线性，所以精度和动态范围受到限制。提高精度的主要措施是缩小复位时间。若要使非线性误差从1％提高到0.01%，则复位时间必须减小到最小信号周期的0.01％以下。当额定工作频率为10KHZ时，信号的最小周期为0.1ms,这样，复位时间必须小于0.01uS，这个要求通常很难满足。必须改进复位电路，限制它的非线性影响。常采用电荷平衡法，而集成压－频变换器几乎都是按这种方案设计的。利用这种方法，可以得到精度很高，动态范围很宽的压－频变换器。电压频率转换电路电荷平衡型A1－＋A2＋－定时电路CFRfusc1usc2Ij-EIfI1D1D2-Emusc3复位电路由定时电路、恒流源Ij和二极管D1,D2组成，复位电路的工作由比较器A2控制，每当比较器的输出从高电位变到低电位时，定时电路就输出一个脉宽固定为Tj的负脉冲，使D2截止，D1导通，可见，比较器的输出每变换一次状态，复位电路从积分电容上取走一份固定的电荷量IjTj。电压频率转换电路电荷平衡型Ifusc1usc2usc30000I10EmtttttIj－Em在一个周期中，积分电容得到的电荷量于放出的电荷量应相等，即If×TSC=Ij.×Tj输出脉冲频率可表示为fsc=1/Tsc=If/（Ij×Tj）优点（1）输出脉冲频率与输入电流有精密的线性关系。可使非线性误差降到0.005％以下。（2）在复位电路中采用了两个精密部件－定时电路和恒流源，使放电电荷与输入信号无关，始终为定值，提高了变换电路的线性度。（3）易于集成化，通常将积分器，比较器，定时电路，恒流源和缓冲器集成在一块硅片上，应用时外加少量元件，就能调节比较器的门限电位，定时电路的输出脉宽和恒流源的输出电流，从而提高了其适应能力。电压频率转换电路集成V/F转换器LM131精度高线性度高温度系数低功耗低动态范围宽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-1+1#单稳态定时器QiSuo43576128RLCLuiRSSRtCt+Uu6u5+EV#Q器输入比较集成V/F转换器uiu6时，输入比较器输出高电平，单稳态定时器输出端Q为高电平，V导通，uo=UoL≈0V，开关S闭合，精密电流源输出电流is对CL充电，u6逐渐上升。与引脚5相连的芯片内放电管截止，电源U经Rt对Ct充电，Ct电压上升。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us=uCt≥2U/3时，单稳态定时器输出端Q为低电平，V截止，uo=UoH=+E，电流开关S断开，CL通过RL放电，使u6下降。Ct通过芯片内放电管快速放电到零。当u6≤ui时，又开始第二个脉冲周期，如此循环往复，输出端便输出脉冲信号。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-1+1#单稳态定时器QiSuo43576128RLCLuiRSSRtCt+Uu6u5+EV#Q器输入比较b)约10mVOOTtottu6uiuo设输出脉冲信号周期为T，输出为低电平(uo=UoL≈0V)的持续时间为to，在to期间，电流is提供给CL、RL的总电荷量QS为1.9oSSoStQitVR周期T内流过RL的总电荷量(包括is提供及CL放电提供)QR为RLQiT式中iL——流过RL的平均电流