06-信号转换电路

测量与控制电路2020/5/19测控电路测量与控制电路22020/5/196.信号转换电路灵：可以根据信号处理、使用、控制的要求转换成所需形式：电压、电流；幅值、频率；连续信号的离散化；模拟、数字、开关信号等形式。信号转换电路用于将各类型的信号进行相互转换，使具有不同输入、输出的器件可以联用。6.信号转换电路在信号进行转换时，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。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电压比较电路：模拟-开关信号的转换电压电流转换电路电压频率转换电路采样保持电路6.信号转换电路模拟数字转换电路测量与控制电路52020/5/196.1电压比较电路6.1.1电平比较电路（一）差动比较电路-1+1#uiUoURuiURuiUoUROuiURa）电压比较器符号b）电压比较器特性电压比较器是一种电压-开关信号转换器。一种将电压信号离散化电路测量与控制电路62020/5/196.1电压比较电路6.1.1电平比较电路（二）求和比较电路（阈值可变）优点：阈值可变缺点：振铃现象12RRUUR∞-++uiUoUR1R2RΣURuiun电平比较器的“振铃”现象Uo测量与控制电路72020/5/196.1电压比较电路6.1.2滞回比较电路不同方向变化不同阈值a)电路原理图b)传输特性uiUoU1OU2-1+1#uiUoURRR2R1212oL211R1RRRURRRUU212oH211R2RRRURRRUU6.1电压比较电路6.1.2滞回比较电路-1+1#uiUoURRR2R1VS2VS3电压比较器是一种带正反馈的运算放大器，以提高转换速率，消除振铃现象，可以通过钳位以获得所需电平开关信号测量与控制电路92020/5/196.1电压比较电路6.1.3窗口比较电路单方向多个阈值ui“1”“0”OUUR2UR1Uo-1+1#&-1+1#uiVSR1RPR2Uo1Uo2UoUZN2N1UR2UR1E6.2.1电流/电压转换电路6.2电压电流转换电路R1∞-++NuoR2Rsisi（一）反相输入型sii1s1oRiiRu要求电流源is的内阻Rs必须很大，is需远大于运算放大器偏置电流6.2电压电流转换电路6.2.1电流/电压转换电路（二）同相输入型R2∞-++NuoR1R3R4iui321o1RRiRu6.2电压电流转换电路6.2.2电压/电流转换电路ioLo311N2RiRRRui313N1uRRRu)(7Lo422P1RRiRRRub422P2URRRubi724oUuRRRiR4R7+RLR4∞-++NV2R5R1R3V1R2R6R7uNuPuiUb+ER1=R2，R3=R4RL6.2电压电流转换电路6.2.2电压/电流转换电路结论：当N的开环增益及输入电阻足够大时，输出电流io与输入电压ui的关系只与R2、R4及反馈电阻R7有关，而与运算放大器参数及负载电阻无关，说明它具有恒流性能。输入电流io与输入电压ui的转换系数决定于电路参数，因此可以根据io与ui的范围决定电路参数。要求：（1）输出电流只与输入电压有关，与负载基本无关；（2）能够输出所需较大电流。6.2电压电流转换电路6.2.2电压/电流转换电路RLuiio输出电流不仅与输入电压有关，而且与负载有关不能输出所需较大电流ioRLuiRRRL测量与控制电路152020/5/196.3电压频率转换电路6.3.1V/f转换电路定义：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（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6.3电压频率转换电路6.3.1V/f转换电路(一）积分复原型ui越高uC越快达到uP电平，比较器翻转越快V∞-++N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比较器复原开关∞-++N1R2uiR1C积分器测量与控制电路172020/5/196.3电压频率转换电路(一）积分复原型6.3.1V/f转换电路OU1U2uoT1T2tuCU2U1ttOOuP761Z6767RRUUURRRR762Z6767RRUUURRRR21TTi2110)(11uUUCRTfV∞-++N2-ER3R4R5R6R7R8R9uCuPVS1VS2VS3uo-U比较器复原开关∞-++N1R2uiR1C积分器6.3电压频率转换电路(一）积分复原型6.3.1V/f转换电路OU1U2uoT1T2tuCU2U1ttOOuPiitiCuUUCRTUUTCRudtuCRtu)(1)(21112111016.3电压频率转换电路(一）积分复原型6.3.1V/f转换电路对于放电过程，电流为变化的，其平均值为：)(2321cerRUUI21213122)(2UUUUCrRCIUUTce])(2[)(21312121UUrRuRCUUTTTceiiuUUCRTf)(112110输入电压越大，充电电流及锯齿波斜率越大，输出脉冲频率越高。6.3电压频率转换电路6.3.1V/f转换电路上述简单压－频变换器的精度和动态范围受到限制的根本原因在于复位电路具有非线性，虽然可采取适当方法进行补偿，但补偿总是不完全的或者适用范围很狭窄。因此对于这类简单电路，提高精度的主要措施时缩小复位时间。若要使非线性误差从1％提高一个数量级，达到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，简单变换电路通常很难满足这个要求。因此，必须改进复位电路，限制它的非线性影响。最常用的方法时电荷平衡法，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。测量与控制电路212020/5/19(二）电荷平衡型6.3电压频率转换电路6.3.1V/f转换电路uo11itQ0s01QIitQ0s11tiItRtIuitIttf0si0s1011uot1tuCtOOt0∞-++N1∞-++N2SuiRIS单稳定时器uCiURC（1）线性好；（2）易于集成(二）电荷平衡型6.3电压频率转换电路6.3.1V/f转换电路优点：（1）利用电荷平衡法，输出脉冲频率与输入电流有精密的线性关系。这种方案可使非线性误差降到0.005％以下，这是因为这种方案与简单压频变换器不同，它在复位电路中采用了两个精密部件－定时电路和恒流源，这就是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。（2）易于集成化，通常将积分器，比较器，定时电路，恒流源和缓冲极集成在一块硅片上，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，从而提高了这类器件的适应能力。(三)集成V/f转换器6.3电压频率转换电路6.3.1V/f转换电路模拟集成V/f转换器具有精度高、线性度高、温度系数低、功耗低及动态范围宽等一系列优点，目前已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。集成V/f转换器大多采用电荷平衡型V/f转换电路作基本电路，例如典型的LM131系列转换器。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Q2RRLVuo6.3电压频率转换电路6.3.1V/f转换电路(三)集成V/f转换器电压频率转换电路集成V/F转换器-1+1#单稳态定时器QiSuo43576128RLCLuiRSSRtCt+Uu6u5+EV#Q器输入比较b)约10mVOOTtottu6uiuo（1）uiu6时，比较器输出高电平，Q=1，V导通，uo=0；开关S闭合，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，U经Rt对Ct充电，Ct上升，直至。3/25UuuCt（2）当，Q=0，V截止，uo=+E；开关S断开，CL通过RL放电，u6下降；Ct通过芯片内放电管迅速放电到零。当，开始新周期。3/25UuuCtiuu6b)约10mVOOTtottu6uiuo集成V/F转换器设输出脉冲周期为T、输出低电平维持时间为t0，在t0期间，电流Is提供给CL、RL的总电荷量量Qs为：sssRttIQ009.1周期T内流过RL的总电荷为：TiQLRu6在很小的范围内波动，可以取u6=uiLiLRui集成V/F转换器b)约10mVOOTtottu6uiuoTRuQiRttttttCCRCRtUCRtUut1.13ln32)]exp(1[00LttisLttisRCRuRRCRuRTf09.21.19.110许多频率解调电路都属于f/V转换电路6.3电压频率转换电路6.3.2f/V转换电路二、f/V转换电器uoOc)ustttOOτb)a)Usˊ——把频率变化的信号线性地转换成电压变化的信号。主要包括电平比较器、单稳触发器和低通滤波器三部分。输入信号通过比较器转换成快速上升/下降的方波信号去触发单稳触发器，产生定宽、定幅度的输出脉冲序列。将此脉冲序列经低通滤波器平滑，可得到比例于输入信号频率fi的输出电压uo。f/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+ETw0V0Vu2uNuPUmUHUL66RRREUH0V0V0Vuiu1u2UZ（扩展）Tw0V0Vu2uNuPUmUHUL66RRREUH0V0V0Vuiu1u2UZ（扩展）f/V转换电路通用f/V转换电路测量与控制电路312020/5/196.3.1f/V转换电路集成f/V转换器6.3电压频率转换电路无信号输入：U1＝0，U2＝0保持Q=0，S1接地，V2导通uoRS触发器-+输入比较器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U-+定时比较器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U-U7S1S1V1QQui前沿负脉冲：U1＝1，U2＝0置位Q=1，S1接通，CL充电，V2截止，Ct充电,u5=uCt≥U-=2U/3,U2＝1,u6U7,U1=0,Q=06.3电压频率转换电路6.3.1f/V转换电路集成f/V转换器每输入一个脉冲，is对CL充电一次充电时间等于Ct电压uCt从零上升到U-=2U/3所需时间tttt11.13lnCRCRt1Ss1s1.9tQItRsoRLiiLuQiTTQR1LLottiiss1.92.09tRRuRCfTRRRS触发器-+输入比较器uiRtCtRLIsCLRS45678123SR+U-+定时比较器RdCdR1R2R2RV2u6U1U2u5U-U7S1uoS1V1QQ-/(1e)tTUU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