信号转换电路课件

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1、2023-1-291信号转换电路信号转换电路Signal converting circuit2023-1-292信号转换电路信号转换电路 Signal converting circuit主要内容主要内容1.电压电压/电流转换电路电流转换电路2.电流电流/电压转换电路电压转换电路3.交流交流/直流（直流（AC/DC）转换电路）转换电路4.电压电压/频率转换电路频率转换电路5.A/D转换电路转换电路6.D/A转换电路转换电路2023-1-2931 电压电压/电流转换电路电流转换电路Voltage/current converting circuit为了抑制外界干扰，常把传感器输出的电压信号经为

2、了抑制外界干扰，常把传感器输出的电压信号经V/IV/I转换电路转换成具有恒流特性的电流信号输出，转换电路转换成具有恒流特性的电流信号输出，然后在接受端再由电流然后在接受端再由电流/电压转换还原成电压信号。电压转换还原成电压信号。主要内容：主要内容：1.1 1.1 负载浮地的负载浮地的V/IV/I转换电路转换电路1.2 1.2 负载接地的负载接地的V/IV/I转换电路转换电路1.3 1.3 差动输入的差动输入的V/IV/I转换电路转换电路2023-1-2941.1 负载浮地的负载浮地的V/I转换电路转换电路1.1.简单的简单的V/IV/I转换电路转换电路类似于一个同相放大器，负类似于一个同相放大

3、器，负载两端载两端R RL L都不接地（负载浮都不接地（负载浮地）。地）。利用虚短可知：负载输入利用虚短可知：负载输入u uA A u ui i，故：，故：21210RRuIRRuiOA 改变改变R R2 2即可改变输出电流大小。即可改变输出电流大小。2023-1-2951.1 负载浮地的负载浮地的V/I转换电路转换电路2.2.输出端加入晶体管驱动的输出端加入晶体管驱动的V/IV/I转换电路转换电路 目的目的：降低功耗、：降低功耗、增大输出电流。增大输出电流。2023-1-2961.2 负载接地的负载接地的V/I转换电路转换电路负载负载R RL L一端接地。当一端接地。当R R1 1=R R2

4、 2，R R3 3=R=R4 4+R+R7 7时，输时，输出电流：出电流：iOuRRRI713 可见，输出电流与负载可见，输出电流与负载无关。无关。2023-1-2971.3 差动输入的差动输入的V/I转换电路转换电路 利用单位增益运算放大器与利用单位增益运算放大器与精密运算放大器组成差动输精密运算放大器组成差动输入入V/IV/I转换电路。转换电路。当当R R1 1=R R3 3，R R2 2=R R4 4时，输出电时，输出电流：流：R R为输出采样电阻。为输出采样电阻。RuuIO21 输出电流与负载电阻无关，输出电流与负载电阻无关，仅与输入电压之差成比例。仅与输入电压之差成比例。2023-1

5、-2982 电流电流/电压转换电路电压转换电路Current/voltage converting circuit 电流电流/电压（电压（I/VI/V）转）转换电路用于将电流信换电路用于将电流信号转换为与之成线性号转换为与之成线性关系的电压信号。关系的电压信号。ioRIu ifoIRu 基本转换电路基本转换电路:（图图6.23(a)6.23(a)）高输入阻抗电路：高输入阻抗电路：（图图6.23(b)6.23(b)）2023-1-299集成集成I/VI/V转换器转换器RCV420RCV420 性能：性能：能将能将4mA4mA20mA20mA输入输入电流转换成电流转换成0 05V5V的的电压输出。

6、电压输出。可获得可获得86dB86dB的共模抑的共模抑制比，以及承受制比，以及承受40V40V的共模电压输入。的共模电压输入。2 电流电流/电压转换电路电压转换电路Current/voltage converting circuit2023-1-29103 交流交流/直流（直流（AC/DC）转换电路）转换电路Alternating current/Direct current converting circuit 交流交流/直流直流AC/DCAC/DC转换电路的功能是将交流振幅转换电路的功能是将交流振幅信号转变为与之成正比的直流信号输出。信号转变为与之成正比的直流信号输出。根据被测信号的频率不

7、同和要求测量的精度不根据被测信号的频率不同和要求测量的精度不同，可以采用不同的转换方式，常用的转换方同，可以采用不同的转换方式，常用的转换方式：式：主要内容主要内容3.1 3.1 线性检波电路（半波整流电路）线性检波电路（半波整流电路）3.2 3.2 绝对值转换电路（全波整流电路）绝对值转换电路（全波整流电路）3.3 3.3 有效值转换电路（方均根有效值转换电路（方均根/直流转换电路）直流转换电路）2023-1-29113.1 线性检波电路（半波整流电路）线性检波电路（半波整流电路）最简单的检波电路为二极管检波电路。最简单的检波电路为二极管检波电路。缺点缺点：由于二极管死区的存在，当输入小信：

8、由于二极管死区的存在，当输入小信号时，存在严重的非线性误差。号时，存在严重的非线性误差。比较实用的检波方法是将二极管置于运算比较实用的检波方法是将二极管置于运算放大器的反馈回路，以实现精密整流。放大器的反馈回路，以实现精密整流。2023-1-29123.1 线性检波电路（半波整流电路）线性检波电路（半波整流电路）常用的检波电路及其波形：常用的检波电路及其波形：0001iifiouuRRuu2023-1-29133.1 线性检波电路（半波整流电路）线性检波电路（半波整流电路）半波整流电路的工作特性：半波整流电路的工作特性：电路能检波的最小输入电压为电路能检波的最小输入电压为U UD D/A AV

9、OVO，其中，其中U UD D为二极管的正向压降；为二极管的正向压降；A AVOVO为运放的开环电压为运放的开环电压增益。增益。可见，二极管正向压降的影响被削弱了可见，二极管正向压降的影响被削弱了A AVOVO倍，从倍，从而使检波特性大大改善。而使检波特性大大改善。如果检波的是正极性的输入电压，只要将电如果检波的是正极性的输入电压，只要将电路中的两个二极管同时反接即可。路中的两个二极管同时反接即可。2023-1-29143.2 绝对值转换电路（全波整流电路）绝对值转换电路（全波整流电路）1.简单绝对值转换电路：简单绝对值转换电路：在半波整流电路的基础上，加一级加法运算在半波整流电路的基础上，加

10、一级加法运算放大器，就组成了简单的绝对值转换电路。放大器，就组成了简单的绝对值转换电路。2023-1-29153.2 绝对值转换电路（全波整流电路）绝对值转换电路（全波整流电路）简单绝对值转换电路的缺点：简单绝对值转换电路的缺点：a.a.要实现高精度转换，电阻必须严格匹。要实现高精度转换，电阻必须严格匹。b.b.输入电阻较低，仅为输入电阻较低，仅为R R1 1/R R4 4。2023-1-29163.2 绝对值转换电路（全波整流电路）绝对值转换电路（全波整流电路）2.改进的绝对值转换电路：改进的绝对值转换电路：特点：特点：优点：匹配电阻少，电路精度优点：匹配电阻少，电路精度较高。较高。缺点缺点

11、：输入电阻：输入电阻R R1 1仍然很低。仍然很低。同相型半波整流电路和反同相型半波整流电路和反相型半波整流电路结合起来相型半波整流电路结合起来组成绝对值转换电路，可减组成绝对值转换电路，可减少匹配电阻的数目。少匹配电阻的数目。2023-1-29173.2 绝对值转换电路（全波整流电路）绝对值转换电路（全波整流电路）高输入阻抗的绝对值转换电路：高输入阻抗的绝对值转换电路：特点：主要优点是输特点：主要优点是输入电阻很高，但仍需入电阻很高，但仍需匹配四个电阻。匹配四个电阻。2023-1-29183.3 有效值转换电路有效值转换电路Virtual value converting circuit真有

12、效值测量法：真有效值测量法：交流有效值定义：以电压为例，交流有效值定义：以电压为例，为为信信号号周周期期。信信号号，为为平平均均时时间间，对对于于周周期期形形的的电电压压；为为随随时时间间变变化化的的任任意意波波为为交交流流电电压压有有效效值值；其其中中TTtuUdttuTURMSTRMS)()(102 真有效值测量法能直接测量任意波形信号有效值。真有效值测量法能直接测量任意波形信号有效值。2023-1-2919 电压有效值测量方法：电压有效值测量方法：公式法：应用计算机，通过对已被量化的离散公式法：应用计算机，通过对已被量化的离散值进行运算，得出公式的值。值进行运算，得出公式的值。利用晶体二

13、极管的特性曲线。利用晶体二极管的特性曲线。利用真空热电偶。利用真空热电偶。采用单片真有效值采用单片真有效值/直流转换器。直流转换器。3.3 有效值转换电路有效值转换电路Virtual value converting circuit2023-1-2920 单片真有效值单片真有效值/直流转换器：直流转换器：利用单片真有效值利用单片真有效值/直流转换器可以准确、直流转换器可以准确、实时测量各种波形的有效值，而不考虑波实时测量各种波形的有效值，而不考虑波形系数即失真度大小。形系数即失真度大小。典型的单片真有效值典型的单片真有效值/直流转换器直流转换器AD536AD536。3.3 有效值转换电路有效值

14、转换电路Virtual value converting circuit2023-1-29214 电压电压/频率转换电路频率转换电路Voltage/Frequency converting circuit 电压电压/频率（频率（V/fV/f）转换电路是将模拟输入电压）转换电路是将模拟输入电压转换为相应的频率信号，其输出的信号频率与转换为相应的频率信号，其输出的信号频率与输入信号电压值成比例，故又称电压控制振荡输入信号电压值成比例，故又称电压控制振荡器。器。V/fV/f转换的特点：转换的特点：精度、线性度都较好。精度、线性度都较好。较强的抗干扰能力。较强的抗干扰能力。与计算机接口简单，占用硬件资

15、源少。与计算机接口简单，占用硬件资源少。输出的频率信号抗干扰性好。输出的频率信号抗干扰性好。2023-1-29224.1 V/f转换电路的原理转换电路的原理实现实现V/fV/f转换的电路主要有积分复原式和电荷平转换的电路主要有积分复原式和电荷平衡式等。但集成衡式等。但集成V/fV/f转换芯片大多采用电荷平衡式转换芯片大多采用电荷平衡式V/fV/f转换电路。转换电路。电荷平衡式电荷平衡式V/fV/f转换电路输出电压信号频率：转换电路输出电压信号频率：为输入电压平均值。为输入电压平均值。式中：式中：iiNuuRTITf011 可见，输出电压的频率与输入电压的平均值成正比。可见，输出电压的频率与输入

16、电压的平均值成正比。2023-1-29234.2 集成集成V/f转换器转换器常用集成常用集成V/fV/f转换器转换器LM331LM3312023-1-29245 A/D转换电路转换电路Analog/Digital converting circuit主要内容主要内容5.1 A/D5.1 A/D转换器指标转换器指标5.2 ADC5.2 ADC种类种类5.3 5.3 典型典型A/DA/D转换器的接口电路转换器的接口电路2023-1-29255.1 A/D转换器指标转换器指标A/DA/D转换器（转换器（ADCADC）是将模拟量转换为数字）是将模拟量转换为数字量的器件。量的器件。A/DA/D转换器的主

17、要性能指标有：转换器的主要性能指标有：分辨力分辨力、转转换时间换时间和和精度精度。2023-1-2926A/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标1.1.分辨力分辨力(resolution)是指是指A/DA/D转换器的输出数字量变动一个二进制数字量的转换器的输出数字量变动一个二进制数字量的最低有效位（最低有效位（LSBLSB）时输入模拟信号的最小变化量。）时输入模拟信号的最小变化量。n n位位A/DA/D转换器的分辨力等于满刻度值除以转换器的分辨力等于满刻度值除以2 2n n。通常用。通常用转换器的位数转换器的位数n n表示其分辨力。表示其分辨力。2.2.转换时间转换时间(converti

18、ng time)：是指是指A/DA/D转换器从启动转换到转换结束所需要的时间。转换器从启动转换到转换结束所需要的时间。3.3.精度精度(precision)：是指是指A/DA/D转换结果的实际值与真实值的偏差。转换结果的实际值与真实值的偏差。用最低有效位数用最低有效位数LSBLSB或满刻度值的百分数表示。或满刻度值的百分数表示。2023-1-29275.2 ADC种类种类 从工作原理上，从工作原理上，ADCADC可划分为四种类型：可划分为四种类型：逐次逼近式逐次逼近式ADCADC：转换速度、精度较高，但抗干扰能力较差。由于兼顾转换速转换速度、精度较高，但抗干扰能力较差。由于兼顾转换速度和精度，

19、是应用较多的一种。度和精度，是应用较多的一种。双积分式双积分式ADCADC：转换速度较慢，但精度高，抗干扰能力强，成本低，适用于转换速度较慢，但精度高，抗干扰能力强，成本低，适用于速度要求不高的场合。速度要求不高的场合。并行式和并并行式和并/串式串式ADCADC：转换速度比其他转换速度比其他ADCADC都高，但电路复杂，一般是都高，但电路复杂，一般是8 8位以下。位以下。计数比较式：计数比较式：也称计数式也称计数式ADCADC或反馈比较式或反馈比较式ADCADC，转换速度慢，精度不高，转换速度慢，精度不高，抗干扰能力差，故很少使用。抗干扰能力差，故很少使用。2023-1-29285.2 ADC

20、种类种类性性能比较、总结：能比较、总结：速度速度并行式最快；双积分最慢。并行式最快；双积分最慢。抗干扰抗干扰双积分式最强；计数式最弱。双积分式最强；计数式最弱。成本成本并行式最高；双积分式最低。并行式最高；双积分式最低。总之，逐次逼近式总之，逐次逼近式ADCADC较好地兼顾性能和成本因素，应较好地兼顾性能和成本因素，应用广泛。用广泛。2023-1-29295.3 典型典型A/D转换器的接口电路转换器的接口电路1.1.ADC0809ADC0809接口电路设计接口电路设计 ADC0809ADC0809具有具有8 8位模拟量输入通道，单极性输入，分位模拟量输入通道，单极性输入，分辨力为辨力为8 8位

21、，转换时间为位，转换时间为100s100s，总的不可调误差为，总的不可调误差为1LSB1LSB。接口电路设计：（略）接口电路设计：（略）2.2.AD574AD574接口电路设计接口电路设计 AD574AD574具有具有1212位模拟量输入通道，单极性或双极性输位模拟量输入通道，单极性或双极性输入，分辨力为入，分辨力为1212位，转换时间为位，转换时间为35s35s。接口电路设计：（略）接口电路设计：（略）2023-1-29306 D/A转换电路转换电路Digital/Analog converting circuit D/AD/A转换器（转换器（DACDAC）是模拟输出通道的重要器件）是模拟输

22、出通道的重要器件之一，其作用是将计算机内的数字量转换为连之一，其作用是将计算机内的数字量转换为连续变化的电压或电流信号。续变化的电压或电流信号。D/AD/A转换器的分类：转换器的分类：按数字量的传输方式分类：按数字量的传输方式分类：并行并行串行串行按工作原理分类：按工作原理分类：权电阻型（电流输出型）权电阻型（电流输出型）R-2RR-2R电阻网络型（电压输出型）电阻网络型（电压输出型）2023-1-2931D/AD/A转换器的主要性能指标有：分辨力、转换器的主要性能指标有：分辨力、转换精度和建立时间等。转换精度和建立时间等。分辨力分辨力：通常用：通常用DACDAC的位数表示。的位数表示。转换精

23、度转换精度：是一个综合指标，包括非线性误：是一个综合指标，包括非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等。差、比例系数误差以及漂移误差等。建立时间建立时间：是指输入数字量满刻度变化时，：是指输入数字量满刻度变化时，输出电压达到满刻度值附近所需时间，通常输出电压达到满刻度值附近所需时间，通常用输出电压与满刻度值为用输出电压与满刻度值为0.01%0.01%所需时间来表所需时间来表示建立时间。示建立时间。6 D/A转换电路转换电路Digital/Analog converting circuit2023-1-2932典型典型D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832。DAC0832DAC0832是是8 8位电流输出型位电流输出型D/AD/A转换器。转换器。采用二级缓冲方式，从而提高转换速度。采用二级缓冲方式，从而提高转换速度。能实现多通道能实现多通道D/AD/A转换的同步输出。转换的同步输出。6 D/A转换电路转换电路Digital/Analog converting circuit