测控电路及装置
2009-7-29 1
第六章信号转换电路内容,各种信号转换电路工作原理重点,转换电路设计测控电路及装置
2009-7-29 2
概述问题,
1、转换电路应具有所需的特性。
2、转换电路应具有一定的输入阻抗和输出阻抗和与之相联的器件阻抗匹配。
作用,
将各种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。
测控电路及装置
2009-7-29 3
6.1 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。
控制电路开关元件测控电路及装置
2009-7-29 4
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 Ton>Toff,理想模拟开关时
Ton→0,Toff→0
测控电路及装置
2009-7-29 5
增强型 MOSFET开关电路（绝缘栅型）
D B S
G
ui uo
uc
i
b)
S B D
G
ui uo
uc
i
a)
ui
o
Ron
O ui
Tci Uuu
测控电路及装置
2009-7-29 6
CMOS开关电路
ui uo
uGP
uGN
+E
-E
uio
Ron
Ron(C)
Ron(N)Ron(P)
uiO
a) b)
测控电路及装置
2009-7-29 7
CMOS开关电路
u i
+
E u
o
-E
DG1
1
V 3V 4 V 3V 4
1
1
DG2
u c
V 2
V 1
V 5
+
图 6-4 含辅助电路的 CMOS开关电路测控电路及装置
2009-7-29 8
多路模拟开关
023567
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
13141512152416
11
10
9
6
8 7
INH
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
14
图 6-5 CD4051 原理图测控电路及装置
2009-7-29 9
CD4051构成数字式可编程增益放大器测控电路及装置
2009-7-29 10
采样保持电路
基本性质
）为发出保持命令的时刻保持期( t 0
0
0 tu
tuu
i
i 采样期捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，直到输出值达到规定的误差范围以内所需的时间定义为捕捉时间孔径时间：从发出保持指令地时刻起，直到开关真正断开所需的时间定义为关断时间。
下垂率,由于存贮电容的电荷的泄漏所引起的输出电压的变化率。
捕捉时间长，电路的跟踪特性差，孔径时间长，电路的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。
测控电路及装置
2009-7-29 11
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,缓冲放大器测控电路及装置
2009-7-29 12
a)
O
t T s
u i,u o
O
t
u o
f ( t )
f s ( t )
S/H电路工作原理测控电路及装置
2009-7-29 13
f
O
f
m in
f
m a x
a)
F ( f )
b)
E
0
E
1
E
2
O
f
s 2 f s f
F
s
( f )
O f
m in
f
m a x f s - f m a x f s + f m a x f s
2 f
s f
F ( f )
*
F
s
( f )
fs+fmin
fs-fmin
采样定理,
采样频率至少应大于模拟信号频率最高频率的
2倍。
测控电路及装置
2009-7-29 14
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。
测控电路及装置
2009-7-29 15
元件性能的影响和要求输入输出缓冲器
S
U c
u o
u i C
∞
-
+
+
N 1
∞
-
+
+
N 2
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 。
测控电路及装置
2009-7-29 16
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
A D 5 7 1
偏移调节
C
+5 V
A D 582
u
o
u
i
∞
-
+
+
N
1
∞
-
+
+
N
2
U
c
S
D
G
#
测控电路及装置
2009-7-29 17
测控电路及装置
2009-7-29 18
6.3 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。
测控电路及装置
2009-7-29 19
(a)差动比较电路
- 1
+ 1
#
u i
U o
U R
u i <U R
u i
U o
U R O
u i >U R
a) b)
图 6 - 12 电压比较器及其特性电平比较电路（单阈值比较器）
测控电路及装置
2009-7-29 20
（ b）求和比较电路优点：阈值可变缺点：振零现象
a)
∞
-
+
+
u i
U o U
R 1
R 2
R
Σ
U R
u i
u n
M N P Q
U o
URRU R
2
1
电平比较电路（阈值可变）
振铃现象测控电路及装置
2009-7-29 21
二 滞回比较电路（正反馈阈值）
两个阈值,(单方向单阈值 )
a) b)
u i
U o
U 1 O U 2
- 1
+ 1
# u i
U o
U R
R
R 2
R 1
滞后电平)(
21
2
21
21
2
21
1
2
21
2
21
1
1
oLoH
oHR
oLR
UU
RR
R
UUU
RR
R
U
RR
R
UU
RR
R
U
RR
R
UU
电平比较电路（正反馈阈值）
测控电路及装置
2009-7-29 22
窗口比较电路 (单方向多个阈值 )
- 1
+ 1
#
&
- 1
+ 1
#
u i
V S
E
R 1
R P
R 2
U o1
U o2
U o
U Z
N 2
N 1
U R2
U R1
,1,
,0,
O
U
U R2 U R1 u i
U o
测控电路及装置
2009-7-29 23
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测控电路及装置
2009-7-29 24
V/f转换波形测控电路及装置
2009-7-29 25
积分复原型
- U
V
∞
-
+
+
N 1
∞
-
+
+
N 2
R 2
- E
u i R 1
R 3
C
R 4
R 5
R 6
R 7
R 8
R 9
u C
u P
V S1
V S2
V S3
u o
组成,积分器、比较器和积分复原开关等测控电路及装置
2009-7-29 26
O
U1
U2
uo T1 T2
t
uC
U2
U1 t
t
O
O
uP
76
6
76
7
2
76
6
76
7
1
RR
R
U
RR
R
UU
RR
R
U
RR
R
UU
Z
Z
测控电路及装置
2009-7-29 27
1、积分器充电过程的输出电压
10
1
1)( Udtu
CR
tu
t
ic
iu
UUCRT )( 211
1
2、放电过程
)(2 3
21
cerR
UUI
21
21
3
12
2 )(2 UU
UUCrRC
I
UUT
ce?
测控电路及装置
2009-7-29 28
3、充放电周期
21
31
2121
)(2
)(
UU
rR
u
R
CUUTTT ce
i
4、忽略放电时间
io uUUCRTf )(
11
211?
测控电路及装置
2009-7-29 29
电荷平衡型电荷平衡式 V/f转换电路测控电路及装置
2009-7-29 30
电荷平衡型
RtI
u
tt
f
t
i
I
t
tiIQ
itQ
s
i
s
s
010
01
00
11
1
)1(
)(
测控电路及装置
2009-7-29 31
集成 V/F转换器
C
L
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
R
R
t
C
t
i
S
R
S
4
5
6
7
8
1
2
3
偏流
S
R
Q
复位 输出保护驱动定时域值比较输入
+ U
1,9V
电流输出基准电压频率输出
Q
2 R
R
L
V
u
o
测控电路及装置
2009-7-29 32
电压频率转换电路
- 1
+ 1
#
单稳态定时器 Q
i
S
u
o
4
3
5
7
6
1
2
8
R
L
C
L
u
i
R
S
S
R
t
C
t
+ U
u
6
u
5
+ E
V
#
Q
器输入比较
集成 V/F转换器
1.9V
参考电压
2/3U
测控电路及装置
2009-7-29 33
b)
约 10m V
O
O
T
t
o
t
t
u
6
u
i
u
o
Ltt
is
tt
tt
ct
L
i
LR
s
ss
RCR
uR
T
f
CRt
U
CR
t
Uu
T
R
u
TiQ
t
R
tIQ
1.19.1
1
1.1
3
2
)e x p (1
9.1
0
0
0
00
测控电路及装置
2009-7-29 34
89C52
测控电路及装置
2009-7-29 35
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
uo
Oc)
us
t
t
t
O
O
τ
b)
a)
Usˊ
uo
放大与电平鉴别器单稳态触发器低通滤波器us U
s Usˊ
测控电路及装置
2009-7-29 36
R
12
R
C
R
3
R
4
= 1 0 0 R
3
u
1
- E
+ E
u
o
C
1
R
5
u
N
u
P
V
D3
V
D4
R
9
R
7
R
89
V
2
R
6
R
10
V
1
V
S
U
m
R
2
u
2
R
11
u i
+ E
- E
V D 1
V D 2
R 1
C
2
∞
-
+
+
N
1
∞
-
+
+
N
2
∞
-
+
+
N
3
+ E
通用运放 f/V转换电路测控电路及装置
2009-7-29 37
f/V转换电路
Tw
0V
0V
u2
uN
uP
Um
UH
UL
6
6
RR
RE
UH
0V
0V
0V
ui
u1
u2 UZ
（扩展）
测控电路及装置
2009-7-29 38
)(
21
2
21
1 E
RR
RU
RR
RU
mH
t
pppp euuutu
)]()0([)()(
Hwp
pp
UTu
Eu
RR
R
Eu
)(
)(,)0(
6
6
imwo fUTu?
测控电路及装置
2009-7-29 39
f/V转换电路集成 f/V转换器图 6 - 20 L M 131 用作 f /V 转换电路原理图
+ U
RS
触发器
-
+
输入比较器
u
i
R
t
C
t
R
L
i S
i
S
C
L
R
S
4
5
6
7
8
1
2
3
S
R
Q
-
+
定时比较器
R
d
C
d
R
1
R
2
R
2 R
V
u
6
U
1
U
2
u
5
U -
U
7
S
u
o
Q
＃
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
充电测控电路及装置
2009-7-29 40
6.5 电压电流转换电路原因,
标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。
电压,1～ 5V,电流,4～ 20mA
在标准信号和非标准信号之间，不同标准信号之间要进行相互转换。
例子,
1、远程传输中的电压电流转换
2、电流数字测量中的电流电压转换测控电路及装置
2009-7-29 41
转换要求：
1,I/V
低 输入阻抗,低 输出阻抗
2,V/I
高 输入阻抗,高 输出阻抗测控电路及装置
2009-7-29 42
6.5.1 I/V转换器
1Riu so )1(
3
2
1
R
R
iRu o
要求：运放的共模抑制比较高测控电路及装置
2009-7-29 43
例：将 0～ 10mA的输入电流转换为 0～ 10V输出电压
k
kR
R
3.15R
,1.5
250
2
3
1
＝则
)1(
3
2
1
R
R
iRu o
测控电路及装置
2009-7-29 44
f
f
s
ff
o
fNN
f
No
spN
U
R
R
Ri
R
R
R
R
u
R
Uu
R
u
R
uu
Riuu
551
51
)1(
故：
4～ 20mA/0～ 5V转换电路
VumAi
VU
kRkRkRR
os
f
f
50204
53.7
14.7,43,18,200 51
～时，～则并调整电位器使
测控电路及装置
2009-7-29 45
V/I转换电路测控电路及装置
2009-7-29 46
bP
LoP
LoN
iN
U
RR
R
u
RRi
RR
R
u
Ri
RR
R
u
u
RR
R
u
42
2
2
7
42
2
1
31
1
2
31
3
1
)(
：当只有偏置电压作用时当只有输出电流时：
：当只有输入电压作用时
)(
,R
72
4
4321
2121
bio
NNPPNP
Uu
RR
R
i
RRR
uuuuuu
则：
当理想运放：
测控电路及装置
2009-7-29 47
信号转换电路模拟数字转换电路测控电路及装置
2009-7-29 48
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（ Least Significant Bit)表示。
测控电路及装置
2009-7-29 49
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。
测控电路及装置
2009-7-29 50
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 )
t
F 8 F 6
F 5 F 4 F 3
F 2
F 1
0
1
2
3
4
5
6
7
F 7
O
b)
f 1 ( t )
t
0
1
2
3
4
5
6
7
01 1 101 111 111 1 10 10 0 01 1 101 对应编码
'
1
F
'
2
F
'
3
F '
4
F
'
5
F
'
6
F
'
7
F
'
8
F
测控电路及装置
2009-7-29 51
AD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。
测控电路及装置
2009-7-29 52
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
R
C
U i
U R
- U R
U C
∞
-
+
+
N
b)
U C
U i1
U i2
T 1 t
O
'
2
T
''
2
T
测控电路及装置
2009-7-29 53
AD转换器
A/D转换器的基本原理
2 逐次逼进式 A/D转换器比较器
D / A
转换器逐次逼近寄 存 器逻辑控制电 路输出缓冲器输出允许 转换结束启动时钟
U i
U S
D n - 1
D 0
…
测控电路及装置
2009-7-29 54
AD转换器A/D转换器的基本原理
3 并行比较式 A/D转换器
- 1
+ 1
#
N 1
- 1
+ 1
#
- 1
+ 1
#
N 2
N 3
≥ 1
&
1
U i
d 1
d 0
3 U R / 4
U R / 2
U R / 4
测控电路及装置
2009-7-29 55
AD转换器集成 A/D转换器
ADC0809
a)
8 路模拟开关
IN 7
8 路模拟量输入地址锁存与译码
A D D A
A D D B
A D D C
A L E
3 位地址线地址锁存允许
- 1
+1
SA R
控制逻辑与时序启动 ST A R T CL K
EO C
转换结束
8 位数据输出三态输出锁存缓冲器
D
0
D
7
OE 输出允许 REF ( + ) REF ( - )
开关树
G N D
U
CC
#
IN 0
WR
…
测控电路及装置
2009-7-29 56
AD转换器集成 A/D转换器
ADC0809
b)
ST A R T
G N D
四分频
P
0,7
P
0,0
P
0,1
P
0,2
u
i7
u
i0
P
2,7
RD
WR
0I NT
A L E
+5 V
/#
A D C0 809
A L E
OE
EO C
CL K
U
CC
REF (+)
REF ( – )
D
7
D
0
A D D C
A D D B
A D D A
I N 7
I N 0
≥ 1
1
≥ 1
…
…
…
…
…
…
测控电路及装置
2009-7-29 57
DA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),
Din = d1x2-1+… +dnx2-n
如果 D/A转换器的基准电压位 UR,则理想 D/A转换器的输出电压 U0可表示为
U0 = UR*Din
测控电路及装置
2009-7-29 58
DA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准电压源,
电阻解码网络,电子开关阵列和相加运算放大器四部分组成 。
1 加权电阻网络电路
U R
u o
S 2 d 2
d n S
n
2 R
4 R
2
n - 1
R
S 3 d 3
S 1 d 1
R
∞
-
+
+
N
I 1
I 2
I 3
I n
I o
R 1
…
…
A
测控电路及装置
2009-7-29 59
DA转换器D/A转换器结构及原理
1 R-2R梯形电阻网络
U R
R
S 1 S 2 S 3
R A 1
d 1 d 2 d
3
( M S B )
2
R
I
8
R
I
4
R
I
2
R
I
2 R 2 R 2 R
4
R
I
U o
R
d n - 1 d n ( L S B)
1
R
2
n
I
n
I
2
R
n
I
2
R
1
R
2
n
I
2 R 2 R 2 R
I o
S n - 1 S n
R 1
A 2 A 3 A n - 1 A n
1 0 1 0 1 0
1 0
1 0 ∞
-
+
+
N
测控电路及装置
2009-7-29 60
DA转换器集成 D/A转换器
U RE F
U CC
R f b
I o1
I o2
CS
DI 11
DI 10
DI 1
DI 0
X F ER
21
BYBY
1WR
2WR
D AC1 20 8
4 位输入锁存器
LE 1
LE 2
LE 3
L SB
M SB
8
位输入锁存器
12 位
D AC
锁存器
12 位相乘型
D/ A
转换电路
15
16
17
DI 9
19
20
4
5
6
7
8
9
23
1
2
21
22
10
14
13
11
24
3
12
&
&
&
DI 8
DI 7
DI 6
DI 5
DI 4
DI 3
DI 2
18
23
测控电路及装置
2009-7-29 61
AD-DA转换器实例仿真
A /D D/ A
1
2
8
E O vr
in
Con v
REF1
R E F2
Ou t
0
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=10V
In 10sin4t
1E9
2009-7-29 1
第六章信号转换电路内容,各种信号转换电路工作原理重点,转换电路设计测控电路及装置
2009-7-29 2
概述问题,
1、转换电路应具有所需的特性。
2、转换电路应具有一定的输入阻抗和输出阻抗和与之相联的器件阻抗匹配。
作用,
将各种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。
测控电路及装置
2009-7-29 3
6.1 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。
控制电路开关元件测控电路及装置
2009-7-29 4
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 Ton>Toff,理想模拟开关时
Ton→0,Toff→0
测控电路及装置
2009-7-29 5
增强型 MOSFET开关电路（绝缘栅型）
D B S
G
ui uo
uc
i
b)
S B D
G
ui uo
uc
i
a)
ui
o
Ron
O ui
Tci Uuu
测控电路及装置
2009-7-29 6
CMOS开关电路
ui uo
uGP
uGN
+E
-E
uio
Ron
Ron(C)
Ron(N)Ron(P)
uiO
a) b)
测控电路及装置
2009-7-29 7
CMOS开关电路
u i
+
E u
o
-E
DG1
1
V 3V 4 V 3V 4
1
1
DG2
u c
V 2
V 1
V 5
+
图 6-4 含辅助电路的 CMOS开关电路测控电路及装置
2009-7-29 8
多路模拟开关
023567
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
13141512152416
11
10
9
6
8 7
INH
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
14
图 6-5 CD4051 原理图测控电路及装置
2009-7-29 9
CD4051构成数字式可编程增益放大器测控电路及装置
2009-7-29 10
采样保持电路
基本性质
）为发出保持命令的时刻保持期( t 0
0
0 tu
tuu
i
i 采样期捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，直到输出值达到规定的误差范围以内所需的时间定义为捕捉时间孔径时间：从发出保持指令地时刻起，直到开关真正断开所需的时间定义为关断时间。
下垂率,由于存贮电容的电荷的泄漏所引起的输出电压的变化率。
捕捉时间长，电路的跟踪特性差，孔径时间长，电路的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。
测控电路及装置
2009-7-29 11
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,缓冲放大器测控电路及装置
2009-7-29 12
a)
O
t T s
u i,u o
O
t
u o
f ( t )
f s ( t )
S/H电路工作原理测控电路及装置
2009-7-29 13
f
O
f
m in
f
m a x
a)
F ( f )
b)
E
0
E
1
E
2
O
f
s 2 f s f
F
s
( f )
O f
m in
f
m a x f s - f m a x f s + f m a x f s
2 f
s f
F ( f )
*
F
s
( f )
fs+fmin
fs-fmin
采样定理,
采样频率至少应大于模拟信号频率最高频率的
2倍。
测控电路及装置
2009-7-29 14
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。
测控电路及装置
2009-7-29 15
元件性能的影响和要求输入输出缓冲器
S
U c
u o
u i C
∞
-
+
+
N 1
∞
-
+
+
N 2
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 。
测控电路及装置
2009-7-29 16
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
A D 5 7 1
偏移调节
C
+5 V
A D 582
u
o
u
i
∞
-
+
+
N
1
∞
-
+
+
N
2
U
c
S
D
G
#
测控电路及装置
2009-7-29 17
测控电路及装置
2009-7-29 18
6.3 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。
测控电路及装置
2009-7-29 19
(a)差动比较电路
- 1
+ 1
#
u i
U o
U R
u i <U R
u i
U o
U R O
u i >U R
a) b)
图 6 - 12 电压比较器及其特性电平比较电路（单阈值比较器）
测控电路及装置
2009-7-29 20
（ b）求和比较电路优点：阈值可变缺点：振零现象
a)
∞
-
+
+
u i
U o U
R 1
R 2
R
Σ
U R
u i
u n
M N P Q
U o
URRU R
2
1
电平比较电路（阈值可变）
振铃现象测控电路及装置
2009-7-29 21
二 滞回比较电路（正反馈阈值）
两个阈值,(单方向单阈值 )
a) b)
u i
U o
U 1 O U 2
- 1
+ 1
# u i
U o
U R
R
R 2
R 1
滞后电平)(
21
2
21
21
2
21
1
2
21
2
21
1
1
oLoH
oHR
oLR
UU
RR
R
UUU
RR
R
U
RR
R
UU
RR
R
U
RR
R
UU
电平比较电路（正反馈阈值）
测控电路及装置
2009-7-29 22
窗口比较电路 (单方向多个阈值 )
- 1
+ 1
#
&
- 1
+ 1
#
u i
V S
E
R 1
R P
R 2
U o1
U o2
U o
U Z
N 2
N 1
U R2
U R1
,1,
,0,
O
U
U R2 U R1 u i
U o
测控电路及装置
2009-7-29 23
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测控电路及装置
2009-7-29 24
V/f转换波形测控电路及装置
2009-7-29 25
积分复原型
- U
V
∞
-
+
+
N 1
∞
-
+
+
N 2
R 2
- E
u i R 1
R 3
C
R 4
R 5
R 6
R 7
R 8
R 9
u C
u P
V S1
V S2
V S3
u o
组成,积分器、比较器和积分复原开关等测控电路及装置
2009-7-29 26
O
U1
U2
uo T1 T2
t
uC
U2
U1 t
t
O
O
uP
76
6
76
7
2
76
6
76
7
1
RR
R
U
RR
R
UU
RR
R
U
RR
R
UU
Z
Z
测控电路及装置
2009-7-29 27
1、积分器充电过程的输出电压
10
1
1)( Udtu
CR
tu
t
ic
iu
UUCRT )( 211
1
2、放电过程
)(2 3
21
cerR
UUI
21
21
3
12
2 )(2 UU
UUCrRC
I
UUT
ce?
测控电路及装置
2009-7-29 28
3、充放电周期
21
31
2121
)(2
)(
UU
rR
u
R
CUUTTT ce
i
4、忽略放电时间
io uUUCRTf )(
11
211?
测控电路及装置
2009-7-29 29
电荷平衡型电荷平衡式 V/f转换电路测控电路及装置
2009-7-29 30
电荷平衡型
RtI
u
tt
f
t
i
I
t
tiIQ
itQ
s
i
s
s
010
01
00
11
1
)1(
)(
测控电路及装置
2009-7-29 31
集成 V/F转换器
C
L
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
R
R
t
C
t
i
S
R
S
4
5
6
7
8
1
2
3
偏流
S
R
Q
复位 输出保护驱动定时域值比较输入
+ U
1,9V
电流输出基准电压频率输出
Q
2 R
R
L
V
u
o
测控电路及装置
2009-7-29 32
电压频率转换电路
- 1
+ 1
#
单稳态定时器 Q
i
S
u
o
4
3
5
7
6
1
2
8
R
L
C
L
u
i
R
S
S
R
t
C
t
+ U
u
6
u
5
+ E
V
#
Q
器输入比较
集成 V/F转换器
1.9V
参考电压
2/3U
测控电路及装置
2009-7-29 33
b)
约 10m V
O
O
T
t
o
t
t
u
6
u
i
u
o
Ltt
is
tt
tt
ct
L
i
LR
s
ss
RCR
uR
T
f
CRt
U
CR
t
Uu
T
R
u
TiQ
t
R
tIQ
1.19.1
1
1.1
3
2
)e x p (1
9.1
0
0
0
00
测控电路及装置
2009-7-29 34
89C52
测控电路及装置
2009-7-29 35
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
uo
Oc)
us
t
t
t
O
O
τ
b)
a)
Usˊ
uo
放大与电平鉴别器单稳态触发器低通滤波器us U
s Usˊ
测控电路及装置
2009-7-29 36
R
12
R
C
R
3
R
4
= 1 0 0 R
3
u
1
- E
+ E
u
o
C
1
R
5
u
N
u
P
V
D3
V
D4
R
9
R
7
R
89
V
2
R
6
R
10
V
1
V
S
U
m
R
2
u
2
R
11
u i
+ E
- E
V D 1
V D 2
R 1
C
2
∞
-
+
+
N
1
∞
-
+
+
N
2
∞
-
+
+
N
3
+ E
通用运放 f/V转换电路测控电路及装置
2009-7-29 37
f/V转换电路
Tw
0V
0V
u2
uN
uP
Um
UH
UL
6
6
RR
RE
UH
0V
0V
0V
ui
u1
u2 UZ
（扩展）
测控电路及装置
2009-7-29 38
)(
21
2
21
1 E
RR
RU
RR
RU
mH
t
pppp euuutu
)]()0([)()(
Hwp
pp
UTu
Eu
RR
R
Eu
)(
)(,)0(
6
6
imwo fUTu?
测控电路及装置
2009-7-29 39
f/V转换电路集成 f/V转换器图 6 - 20 L M 131 用作 f /V 转换电路原理图
+ U
RS
触发器
-
+
输入比较器
u
i
R
t
C
t
R
L
i S
i
S
C
L
R
S
4
5
6
7
8
1
2
3
S
R
Q
-
+
定时比较器
R
d
C
d
R
1
R
2
R
2 R
V
u
6
U
1
U
2
u
5
U -
U
7
S
u
o
Q
＃
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
充电测控电路及装置
2009-7-29 40
6.5 电压电流转换电路原因,
标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。
电压,1～ 5V,电流,4～ 20mA
在标准信号和非标准信号之间，不同标准信号之间要进行相互转换。
例子,
1、远程传输中的电压电流转换
2、电流数字测量中的电流电压转换测控电路及装置
2009-7-29 41
转换要求：
1,I/V
低 输入阻抗,低 输出阻抗
2,V/I
高 输入阻抗,高 输出阻抗测控电路及装置
2009-7-29 42
6.5.1 I/V转换器
1Riu so )1(
3
2
1
R
R
iRu o
要求：运放的共模抑制比较高测控电路及装置
2009-7-29 43
例：将 0～ 10mA的输入电流转换为 0～ 10V输出电压
k
kR
R
3.15R
,1.5
250
2
3
1
＝则
)1(
3
2
1
R
R
iRu o
测控电路及装置
2009-7-29 44
f
f
s
ff
o
fNN
f
No
spN
U
R
R
Ri
R
R
R
R
u
R
Uu
R
u
R
uu
Riuu
551
51
)1(
故：
4～ 20mA/0～ 5V转换电路
VumAi
VU
kRkRkRR
os
f
f
50204
53.7
14.7,43,18,200 51
～时，～则并调整电位器使
测控电路及装置
2009-7-29 45
V/I转换电路测控电路及装置
2009-7-29 46
bP
LoP
LoN
iN
U
RR
R
u
RRi
RR
R
u
Ri
RR
R
u
u
RR
R
u
42
2
2
7
42
2
1
31
1
2
31
3
1
)(
：当只有偏置电压作用时当只有输出电流时：
：当只有输入电压作用时
)(
,R
72
4
4321
2121
bio
NNPPNP
Uu
RR
R
i
RRR
uuuuuu
则：
当理想运放：
测控电路及装置
2009-7-29 47
信号转换电路模拟数字转换电路测控电路及装置
2009-7-29 48
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（ Least Significant Bit)表示。
测控电路及装置
2009-7-29 49
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。
测控电路及装置
2009-7-29 50
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 )
t
F 8 F 6
F 5 F 4 F 3
F 2
F 1
0
1
2
3
4
5
6
7
F 7
O
b)
f 1 ( t )
t
0
1
2
3
4
5
6
7
01 1 101 111 111 1 10 10 0 01 1 101 对应编码
'
1
F
'
2
F
'
3
F '
4
F
'
5
F
'
6
F
'
7
F
'
8
F
测控电路及装置
2009-7-29 51
AD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。
测控电路及装置
2009-7-29 52
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
R
C
U i
U R
- U R
U C
∞
-
+
+
N
b)
U C
U i1
U i2
T 1 t
O
'
2
T
''
2
T
测控电路及装置
2009-7-29 53
AD转换器
A/D转换器的基本原理
2 逐次逼进式 A/D转换器比较器
D / A
转换器逐次逼近寄 存 器逻辑控制电 路输出缓冲器输出允许 转换结束启动时钟
U i
U S
D n - 1
D 0
…
测控电路及装置
2009-7-29 54
AD转换器A/D转换器的基本原理
3 并行比较式 A/D转换器
- 1
+ 1
#
N 1
- 1
+ 1
#
- 1
+ 1
#
N 2
N 3
≥ 1
&
1
U i
d 1
d 0
3 U R / 4
U R / 2
U R / 4
测控电路及装置
2009-7-29 55
AD转换器集成 A/D转换器
ADC0809
a)
8 路模拟开关
IN 7
8 路模拟量输入地址锁存与译码
A D D A
A D D B
A D D C
A L E
3 位地址线地址锁存允许
- 1
+1
SA R
控制逻辑与时序启动 ST A R T CL K
EO C
转换结束
8 位数据输出三态输出锁存缓冲器
D
0
D
7
OE 输出允许 REF ( + ) REF ( - )
开关树
G N D
U
CC
#
IN 0
WR
…
测控电路及装置
2009-7-29 56
AD转换器集成 A/D转换器
ADC0809
b)
ST A R T
G N D
四分频
P
0,7
P
0,0
P
0,1
P
0,2
u
i7
u
i0
P
2,7
RD
WR
0I NT
A L E
+5 V
/#
A D C0 809
A L E
OE
EO C
CL K
U
CC
REF (+)
REF ( – )
D
7
D
0
A D D C
A D D B
A D D A
I N 7
I N 0
≥ 1
1
≥ 1
…
…
…
…
…
…
测控电路及装置
2009-7-29 57
DA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),
Din = d1x2-1+… +dnx2-n
如果 D/A转换器的基准电压位 UR,则理想 D/A转换器的输出电压 U0可表示为
U0 = UR*Din
测控电路及装置
2009-7-29 58
DA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准电压源,
电阻解码网络,电子开关阵列和相加运算放大器四部分组成 。
1 加权电阻网络电路
U R
u o
S 2 d 2
d n S
n
2 R
4 R
2
n - 1
R
S 3 d 3
S 1 d 1
R
∞
-
+
+
N
I 1
I 2
I 3
I n
I o
R 1
…
…
A
测控电路及装置
2009-7-29 59
DA转换器D/A转换器结构及原理
1 R-2R梯形电阻网络
U R
R
S 1 S 2 S 3
R A 1
d 1 d 2 d
3
( M S B )
2
R
I
8
R
I
4
R
I
2
R
I
2 R 2 R 2 R
4
R
I
U o
R
d n - 1 d n ( L S B)
1
R
2
n
I
n
I
2
R
n
I
2
R
1
R
2
n
I
2 R 2 R 2 R
I o
S n - 1 S n
R 1
A 2 A 3 A n - 1 A n
1 0 1 0 1 0
1 0
1 0 ∞
-
+
+
N
测控电路及装置
2009-7-29 60
DA转换器集成 D/A转换器
U RE F
U CC
R f b
I o1
I o2
CS
DI 11
DI 10
DI 1
DI 0
X F ER
21
BYBY
1WR
2WR
D AC1 20 8
4 位输入锁存器
LE 1
LE 2
LE 3
L SB
M SB
8
位输入锁存器
12 位
D AC
锁存器
12 位相乘型
D/ A
转换电路
15
16
17
DI 9
19
20
4
5
6
7
8
9
23
1
2
21
22
10
14
13
11
24
3
12
&
&
&
DI 8
DI 7
DI 6
DI 5
DI 4
DI 3
DI 2
18
23
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2009-7-29 61
AD-DA转换器实例仿真
A /D D/ A
1
2
8
E O vr
in
Con v
REF1
R E F2
Ou t
0
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=10V
In 10sin4t
1E9
