第8章信号转换技术-2014-4-22.ppt
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HarbinEngineeringUniversityHarbinEngineeringUniversity第八章第八章信号转换技术信号转换技术1.1.1.1.模拟开关模拟开关模拟开关模拟开关2.2.2.2.采样采样采样采样/保持器保持器保持器保持器3.3.3.3.电压比较器电压比较器电压比较器电压比较器4.4.4.4.D/AD/AD/AD/A和和和和A/DA/DA/DA/D转换电路转换电路转换电路转换电路5.5.5.5.信号自动检测与转换电路设计信号自动检测与转换电路设计信号自动检测与转换电路设计信号自动检测与转换电路设计1本章重点:
本章重点:
n模拟开关芯片使用、窗口比较器设计、采样频率的求取、A/D转换原理及应用、A/D转换电路及与单片机接口电路时序分析。
本章难点:
本章难点:
nA/D转换电路原理及与单片机接口电路2将现场物理量变将现场物理量变换为电信号换为电信号抑制干扰、保证抑制干扰、保证A/D转换精度转换精度实现多选一实现多选一将输入信号放大到将输入信号放大到A/D可接受的范围可接受的范围保持、保证保持、保证A/D精度精度核心,实现核心,实现A到到D的转换的转换进行地址译码,产生片进行地址译码,产生片旋信号和写信号旋信号和写信号3设设计计要要求求设计一个多点应力自动巡回检测与转换电路,包括:
应变电阻,直流电桥,信号放大电路、8选1多路模拟开关,A/D转换芯片AD1674,接口逻辑电路、89C52单片机,适当电阻、电容,数码管显示。
48.18.1模拟开关模拟开关作用:
作用:
在在多路被测信号共用一个多路被测信号共用一个A/DA/D转换器转换器的数据采集系统中的数据采集系统中,将多路被测信号将多路被测信号分别传送分别传送到到A/DA/D转换器进行转换。
转换器进行转换。
机电式:
机电式:
电子模拟式:
电子模拟式:
类型类型用于大电流、高电压、低速切换用于大电流、高电压、低速切换用于小电流、低电压、高速切换用于小电流、低电压、高速切换5双极性晶体管开关双极性晶体管开关场效应晶场效应晶体管开关体管开关电电子子式式类类型型结型场效应管结型场效应管(JFET)绝缘栅型绝缘栅型(MOS-FET)集成电路开关集成电路开关(CMOS)为主为主干簧继电器干簧继电器水银继电器水银继电器机机械械式式类类型型机械振子继电器机械振子继电器6一一双极型晶体管模拟开关双极型晶体管模拟开关晶体管有三种工作状态:
晶体管有三种工作状态:
发射结正偏、集发射结正偏、集电结反偏电结反偏-放大状态放大状态;两个结都正偏两个结都正偏-饱和导通饱和导通;两个结都反偏两个结都反偏-截止状态截止状态。
两个结都正偏两个结都正偏-饱和导通:
饱和导通:
等效为等效为饱和压降饱和压降与与导通电阻导通电阻串联,二者较小,相当于串联,二者较小,相当于模拟开关导模拟开关导通通;两个结都反偏两个结都反偏-截止状态截止状态:
等效为:
等效为断开电阻断开电阻与与漏电流漏电流并联,断开电阻很高,漏电流很小,相并联,断开电阻很高,漏电流很小,相当于当于模拟开关断开模拟开关断开。
7正向运行反向运行正向运行电流放大倍数反向运行电流放大倍数简单的简单的NPN型晶体管模拟开关:
型晶体管模拟开关:
正接状态深度饱和条件深度饱和条件8反接状态理论和实践证明:
理论和实践证明:
反接状态时反接状态时饱和压降比正接时要饱和压降比正接时要小小,因此晶体管反接时精度较高。
,因此晶体管反接时精度较高。
电路存在问题:
电路存在问题:
深度饱和状态导致基极电流过大,深度饱和状态导致基极电流过大,该电流流入(流出)信号源会引起误差。
该电流流入(流出)信号源会引起误差。
9一般双极型晶体管开关电路:
一般双极型晶体管开关电路:
切换信号倒接开关驱动级逻辑控制电平控制电压控制电压10解决方案:
解决方案:
PNP和和NPN管互补连接。
管互补连接。
电路优点:
电路优点:
流入流出信号源的基极电流相互抵消,流入流出信号源的基极电流相互抵消,对信号源内阻要求不高对信号源内阻要求不高电路注意问题:
电路注意问题:
需要双极性控制信号。
需要双极性控制信号。
11互补型双极型晶体管开关电路:
互补型双极型晶体管开关电路:
12二二结型场效应管(结型场效应管(JFET)模拟开关)模拟开关NN沟道耗尽型沟道耗尽型JFETJFET工作示意图工作示意图当当时,时,开关导通开关导通;当;当时,时,开关截止开关截止。
UGS=0UPUGS0UGS=UP源极源极漏极漏极栅源栅源UGS=0导电导电沟道沟道13JFET截止条件:
截止条件:
JFET导通条件:
导通条件:
加速电容加速电容NN沟道耗尽型沟道耗尽型JFETJFET导通、截止条件导通、截止条件14N沟道沟道JFET:
导通条件:
导通条件:
截止条件:
截止条件:
不考虑二极管正向压降不考虑二极管正向压降UD:
P沟道沟道JFET:
导通条件:
导通条件:
截止条件:
截止条件:
电路存在问题:
电路存在问题:
Uc由数字由数字逻辑电路提供,其高、低逻辑电路提供,其高、低电平有时不能满足截止和电平有时不能满足截止和导通条件。
导通条件。
15解决方案解决方案电平移动电路:
电平移动电路:
导通条件:
导通条件:
截止条件:
截止条件:
16优点:
优点:
开关切换速度快,导通电阻小,且随信开关切换速度快,导通电阻小,且随信号电压变化波动小;易于和驱动电路集成。
号电压变化波动小;易于和驱动电路集成。
三三绝缘栅场效应管(绝缘栅场效应管(MOS-JFET)模拟开关)模拟开关反相器反相器反相器反相器NMOSPMOS互补型互补型CMOS17四四集成电路型模拟开关集成电路型模拟开关-CMOS型型电平移位电路、译码器、多路开关电平移位电路、译码器、多路开关制造在制造在一个芯片一个芯片上。
上。
控制输入控制输入地地(逻辑电平逻辑电平)电平移位电源电平移位电源禁止端公共输入、公共输入、输出端输出端输入、输出端输入、输出端正电源正电源CD405118CD4051内部逻辑结构内部逻辑结构19CD4051真值表真值表CBA接通通道接通通道000000001000011110011001101010101S0S1S2S3S4S5S6S7无无20多路模拟开关技术指标RON:
导通电阻导通电阻;RONVS:
导通电阻温度漂移导通电阻温度漂移;IC:
开关接通电流开关接通电流;IS:
开关断开时的泄漏电流开关断开时的泄漏电流;CS:
开关断开时,开关对地电容开关断开时,开关对地电容;COUT:
开关断开时,输出端对地电容开关断开时,输出端对地电容;tON:
选通信号选通信号EN达到达到50%这点时,开关接通的延时时间这点时,开关接通的延时时间;tOFF:
选通信号选通信号EN达到达到50%这点时,开关断开的延时时间这点时,开关断开的延时时间;tOPEN:
开关切换时间开关切换时间;21CD4051性能参数性能参数tON:
0.8微秒微秒;tOFF:
0.8微秒微秒tOPEN:
1.6微秒微秒VDD:
Vi:
22CD4051输入电压、电源电压、数字控制信号关系输入电压、电源电压、数字控制信号关系可传输峰峰值达15V的交流信号当供电电源VDD=5V,VSS=0V,当VEE=0V时,则施加05V的数字控制信号,可控制幅度范围为0V5V的模拟信号当供电电源VDD=5V,VSS=0V,当VEE=5V时,则施加05V的数字控制信号,可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。
当供电电源VDD=5V,VSS=0V,当VEE=-8V时,则施加05V的数字控制信号,可控制幅度范围为8V5V的模拟信号。
VEE就是电子开关的8个输入端可以允许的信号范围下限。
注意:
不要超过它的极限参数.峰峰值达15V23五五模拟开关模拟开关的配置的配置1.单端接法单端接法:
把所有输入信号源的一端接至把所有输入信号源的一端接至同一信号地,同一信号地,另一端各自接至多路开关的另一端各自接至多路开关的相应输入端。
相应输入端。
-+UO.-+UO.模拟地模拟地模拟地模拟地信号地信号地US1RS1US2RS2USnRSnUS1RS1US2RS2USnRSnUcm1RfRf(a)(b)UcmUcm2Ucmn优点:
优点:
能使用系统的全部通道。
能使用系统的全部通道。
缺点:
缺点:
抗共模干扰能力差抗共模干扰能力差。
242.双双端接法端接法:
把所有输入信号源的两端各自把所有输入信号源的两端各自分别接至多分别接至多路开关的输入端。
路开关的输入端。
-+US1RS1US2RS2RSnUSnUcm1Ucm2UcmnUORf优点:
优点:
抗共模干扰能力强。
抗共模干扰能力强。
缺点:
缺点:
只能使用系统的一半通道。
只能使用系统的一半通道。
注意:
注意:
当信号源的信噪比较小时,当信号源的信噪比较小时,必须使用此接法。
必须使用此接法。
25六六模拟开关在检测系统中的应用模拟开关在检测系统中的应用应用应用1:
应用在数据采集系统中应用在数据采集系统中26应用应用2:
应用在数据分配系统中应用在数据分配系统中27应用应用3:
应用在差动放大器中应用在差动放大器中28七七模拟开关模拟开关应用举例应用举例设计一个8点应力自动巡回检测与转换电路,包括:
应变电阻,直流电桥,信号放大电路、8选1多路模拟开关,A/D转换芯片AD1674,接口逻辑电路、89C52单片机,适当电阻、电容,数码管显示。
29已知:
应变电阻初始电阻为100欧,灵敏度K=2.5,测量应变范围,-0.004至+0.004,信号变化最高频率为5KHz;直流电桥采用单臂电桥,供电电源为5V;信号放大电路采用测量放大器,共模抑制比大于60dB,信号放大后,输出电压范围为伏级;8选1多路模拟开关采用单端接法。
设计:
应变电阻直流电桥测量电路信号放大电路,每级放大不超过20dB选择合适的多路模拟开关电路,满足每个采样周期采10个点。
30应变电阻直流电桥测量放大器10倍同相放大器10倍电压跟随AD-5V+5V31测量信号模拟测量信号模拟+多路模拟开关多路模拟开关328.28.2采样采样/保持电路保持电路33采样状态采样状态保持状态保持状态一一工作原理工作原理34采样采样/保持器构成保持器构成采样采样/保持器工作原理保持器工作原理采样时:
采样时:
在保持期间:
在保持期间:
35二二基本电路基本电路采样采样/保持电路的基本结构有保持电路的基本结构有串联型串联型和和反馈型反馈型两种。
两种。
串联型串联型Uc36反馈型反馈型37三三采样采样/保持器的参数保持器的参数1.1.捕捉时间捕捉时间当发出采样命令后,采样当发出采样命令后,采样/保持电路输出从原来所保持保持电路输出从原来所保持的值,到达当前输入信号的值所需的时间,称为捕捉时间。
的值,到达当前输入信号的值所需的时间,称为捕捉时间。
382.2.孔径时间孔径时间由于模拟开关有一定的动作滞后,由于模拟开关有一定的动作滞后,从发出保持指令开从发出保持指令开始到模拟开关完全断开,电路进入保持状态,输出停始到模拟开关完全断开,电路进入保持状态,输出停止跟踪输入止跟踪输入所经历的这段时间称孔径时间所经历的这段时间称孔径时间ttAPAP。
393.3.保持电压的衰减率保持电压的衰减率在信号保持期间,由于泄露电流的存在,将引起保在信号保持期间,由于泄露电流的存在,将引起保持电压的衰减,衰减速率(持电压的衰减,衰减速率(decayratedecayrate)用下式计算:
)用下式计算:
式中:
式中:
I:
I:
包括运放偏置电流,开关断开漏电流和保持电容内部包括运放偏置电流,开关断开漏电流和保持电容内部泄露电流等;泄露电流等;C:
C:
保持电容的电容量。
保持电容的电容量。
40四四应用方法应用方法1.1.采样频率的选择采样频率的选择采样频率的选择与信号的截止频率采样频率的选择与信号的截止频率fcfc有关有关采样频率可以根据采样定理确定采样频率可以根据采样定理确定已知:
应变电阻初始电阻为100欧,灵敏度K=2.5,测量应变范围,-0.004至+0.004,信号变化
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- 信号 转换 技术 2014 22