第四节 信号转换电路

第四节信号转换电路

一、概述

信号转换电路作用: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。

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

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。

显然，该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器，通常把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道。

我们所需的各种信息首先来自自然界。从自然界中我们可以得到如气象，环境，天灾等各种信息，这些信息从传感器得到。传感器是将物理量转换成电量的元件。

从传感器中得到的电量多为连续的，这种量称为模拟量。另一方面，计算机能处理的量多为离散量，叫做数字量。从模拟到数字是今后的趋势。

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。

开关电路类型：电路结构：N沟道增强型和CMOS 型；

集成模拟开关电路：在同一芯片上集成多个CMOS开关，由地址译码器和多路模拟开关组成

按切换的对象分：电压和电流开关

电压模拟开关的特点：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：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。

模拟开关的性能参数

静态特性：

Ron：开关导通时输入端与输出端之间的电阻

Roff：断开时输入端与输出端之间的电阻

IS ：开关断开时的泄漏电流；

IC ：开关接通电流；

CS：开关断开时，开关对地电容；

COUT：开关断开时，输出端对地电容；

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>T0ff, 理想模拟开关时Ton→0，Toff→0

为了得到高质量的采样保持电路，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。

1. 漏电流

通过断开的模拟开关的电流，用IS表示。在n个模拟开关的并联组合中，当一个开关导通时，其它n－1个开关是断开的，未导通开关的漏电流将通过导通的开关流经信号源，如图所示。

这样，将在输出端形成一个误差电压UOE。输出端的误差电压：

IS —单个开关的漏电流。

如果通道数增加或信号源内阻很大时，情况还要严重。

改进的方法：采用分级结合电路。将3n个通道分成3 组，再用3个第二级的开关接到输出端。这样将使流到输出端的漏电流由(3n－1) 降到(n－1)，差不多减至三分之一。

3. 源负载效应误差

由于负载效应是一种分压作用，使输出到上的信号减小，因此应合理设计

①提高负载电阻，R L >> R S+R ON

②根据负载效应误差，在下级提高增益来补偿

4.串扰：断开通道的信号电压耦合到接收通道引起的干扰。

A/D转换电路

离散系统或采样数据系统--把连续变化的量变成离散量后再进行处理的计算机控制系统。离散系统的采样形式--有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期采样。

周期采样--就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号y(t)，按一定的时间间隔T 转变为在瞬时0，T，2T，…的一连串脉冲序列信号y*(t)，如图下图所示。

采样器的常用术语：

采样器或采样开关--执行采样动作的装置，

采样时间或采样宽度τ--采样开关每次闭合的时间

采样周期T--采样开关每次通断的时间间隔

在实际系统中，t《T ，也就是说，可以近似地认为采样信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。由经验可知，采样频率越高，采样信号 y*(t)越接近原信号y(t)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号y*(t)既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号

y*(t)能完全复现原信号y(t)，采样频率f 至少要为原信号最高有效频率fmax的2倍，即f 2fmax。采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频率。实际应用中，常取f （5-10）fmax。

1、零阶采样保持器--在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波性如图(a)、(b)所示。采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容C H等组成。采样期间，开关S闭合，输入电压V IN通过A1对C H快速充电，输出电压V OUT跟随V IN 变化；保持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容C H将保持电压V C不变，因而输出电压V OUT=V C也保持恒定。

显然，保持电容C H的作用十分重要。实际上保持期间的电容保持电压V C在缓慢下降，这是由于保持电容的漏电流所致。保持电压V C的变化率为

式中：ID--为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电容CH值--增大电容CH值可以减小电压变化率，但同时又会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持电容CH是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器，容量为510-1000pF。

注意：AD采样器的实际采样率，不仅与自身参数有关还与信号输入通道带宽和阻抗特性有关。

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，能分辨的最小电压范围叫做分辨率。通常用LSB(一个单位分辨率)表示。

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。

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。

转换时间：完成一次转换所需要的时间，转换速率是转换时间的倒数。转换速率常用采样速率表示，采样速率是采样时间的倒数。

一般提高AD分辨率可提高采样精度，但过分追求分辨率也无助于采样精度。

A/D转换器接口电路主要cpu如何分时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动A/D转换、判断模数转换完成、读入转换结果。AD转换电路类型有查询模式，定时模式，中断模式。

四、D/A转换器的结构及原理

结构：由基准电压源(UR)、电阻解码网络(2-i)、电子开关阵列(di)和相加运算放大器四部分组成

1.加权电阻网络电路

2.R-2R梯形电阻网络电路

一般DA转换器价格较高，且占用cpu接口资源较多，在需要模拟量输出精度不高的场合可先把数字量转化为PWM占空比输出形式，再把占空比信号经过RC滤波电路，RC滤波电路的输出电压对应占空

比大小

五、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。

1. 积分复原式V/ f 转换电路

组成：积分器、比较器和积分复原开关等

N1R1C ——反相积分器；

V ——积分复位开关；

N2R5~R8——滞回比较器；

V s2V s3——限制输出电压(限幅)。

V s1——稳定门限电平；

2.电荷平衡式V/f 转换电路

N1RC ——反相积分器；

N2——过零比较器；

I s——恒流源发生器；

根据电荷平衡原理有：

六、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

N1R3R4——滞回比较器，输出方波信号u1；

N2R1R2V1V2——单稳态触发器，使u2占空比随f i升高而增大； N3R12C2——低通滤波器，对u2求平均。

输出高电平时间固定，周期随频率升高而减小，占空比变大根据电荷平衡原理有：