信号采集原理

输入/输出
+E
76 5 4 32 10
16
4 2 5 1 12 15 14 13
A 11
逻
B
10
辑 电
8 选
平 转
1 译
C
9换 电
码 电
路
路
INH 6
8
7
-E1
-E2
S1
S2
S3
S4
S5
输出/输入
S6
S7
S8
图 6-7 CD4051 原理图
元件性能的影响和要求
• 存储电容
选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容器，如聚苯乙 烯，钽电容和聚碳酸脂电容器等。(原因：当电路从采样 转到保持，介质的吸附效应会使电容器上的电压下降，被 保持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，峰值检波器 复位时，电容放电，介质吸附效应会使放电后的电容电压 回升，引起小信号峰值的检波误差。电容器的泄漏电阻引 起电容上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持精度）
uC
V
R3
O U1
t
C
R9
U2
ui
R1
∞
R4
∞
-
uC
-
R8
+ + N1
+
uP
+ N2
uP
uO T
U1
uo
U2
t
R2
R7
VS2
R6
uo
T1 T2
R5
VS1
VS3
O
-E
-U
t
电压频率转换电路
• 电荷平衡型
CF
Rf


－
＋
If
D1 ＋ A1
usc1 -Em
A2
－
I1
D2
定时 usc2
usc3
电路
Ij -E
QR
基准 电源
定时 比较
器+
5
输出 保护
复位 2R
比较 输入
域值 Rt
定 时
Ct
4
电压频率转换电路
• 集成V/F转换器
+U RS 2
1
u6
6
RL
CL 7
ui
Rt
8 iS # S
-1 输入 # 比较
+1 器
u5
Ct
5
u6
+E
ui
单稳 Q 态定
时器 Q
O
uo
V
3
uo
4
O
to T
b)
约 10mV t
t
f/V转换电路
ui ,uo
O fs(t)
O Ts
a)
uo
f(t)
t
t
第一节 采样保持电路
F(f)
O fmin fmax Fs(f)
E0 O F(f)* Fs(f)
a)
E1 fs b)
f
E2
2fs
f
O fmin fmax fs- fmax fs fs+ fmax
2 fs
f
fs＋fmin
fs－fmin
采样保持电路
• 运算放大器：选用输入偏置电流小、带宽 宽及转换速率（上升速率）大的运算放大 器；输入运放还应具有大的输出电流
信号转换电路(二)
电压比较电路 电压频率转换电路
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。
信号转换电路
第一节 采样保持电路
信号转换电路
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
采样保持电路
• 基本性质
u0

ui t
ui
t0

采样期 保持期(t0为发出保持命令的时刻）
捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，直到输出信号稳定地跟踪上输入信号 为止，所需的时间定义为捕捉时间
元件性能的影响和要求
• 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
什么是电容的吸附效应？
• 实验分析表明，阻容电路的时 间常数相差很大，可从几十毫 秒到几十秒。
• （1）T充电时间《MAX(T阻容电路)
切断充电 （2）T充电时间》MAX(T阻容电路)
1
切断电源将电容器短路，且 T短路时间《（3～5）MAX(T 阻容电路)
.
总结
从元件方面来看，提高精度的重要措施是 减小各种漏电流和偏置电流，选用介质吸 附效应小的电容器，减小开关导通电阻等 的影响。提高工作速度的措施是提高开关 速度，减小开关极间电容的影响，选用上 升速率和输出电流大的运算放大器。
+ N2
C
单片集成采样－保持电路
Uc
+5V 14 13
12
11
AD582
&
DG
∞ -
S
+ + N1
#
uo
10
98
∞ -
+ + N2
模 ? /# 状
拟
态
量
输
入
AD571
1
2
ui
3
4
5
偏移调节
6
7
C
总结
• 模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小， 漏电流小，极间电容小和切换速度快。
• 存储电容：要选用介质吸附效应小的和泄 漏电阻大的电容。
• CMOS开关电路
uGP
+E
ui
-E
uo
uGN a)
Ron Ron(P)
Ron(N)
Ron(C)
oO
uiui
b)
集成模拟开关
• CMOS开关电路
u u c
1
Dc G
1
1
ui
V4
+
E
V5
-- E
图 6-6
V3
V4
V2
V3
+
E
uo
1
V1
D G1D2 2
含 辅 助 电路 的 CMOS 开 关电路
多路模拟开关
b) Ron1
R1
C1
∞ -
+ + N2
C
uo uo
精度提高的方法（电路）
（2）电容校正方法的矛盾
精度 《》 速度
Ron2
C1
∞
∞
-
-
Ron
+
uo
+
+ N2
ui
+ N1
C
b)
提高速度的方法（电路）
减少反馈回路中的时间常数数目来提高速度
Uc
VD1
VD2
V2
V1
∞
-
ui
+
+ N1
R1
R2
V
∞
-
uo
+
开关元件
控制电路
元件性能的影响和要求
• 模拟开关的分类
按切换的对Fra Baidu bibliotek分：电压和电流开关
电压模拟开关的特点是：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是：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。
利用单稳态触发器暂稳态期间输出的 高电平去控制与门的开
3. 延时：在一个脉冲信号到达后，延迟一段时间再产生 一个脉冲，以控制两个相继进行的操作。
延时 脉冲形成
f/V转换电路
集成f/V转换器
+U Rd
ui Cd
8
R1
6
u6
U7
7
- 输入 比较
+ 器 U1
稳态：Q=0 Rt 暂稳态：Q=1 u5 暂稳态持续时间Ct 由Rt, Ct充电时间 决定。
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。
元件性能的影响和要求
• 输入输出缓冲器
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
∞
-
S
+
-
+
+ N2
uo
输出电流等性能参数。 ui
+ N1
C
Uc
元件性能的影响和要求
• 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。
• 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
+E
ui VD1 VD2 -E
R1 -E
∞ -
+ + N1
C1 u1
VD3
uN
R5
uP
R4=100R3 R3
+E R C
R2
+E
∞
-
VD4
+
+ N2
V2 R6
R9 R7 R89
R11 u2
V1 Um
R10
R12
C2 VS
∞
-
什么是电容的吸附效应？
• 在实际电容器中，电容器介质 的偶极子及其界面极化的形成 和消失都不可能瞬时实现，往 往需要一定的时间，因而使电 介质常数随信号频率和环境温 度变化，不能似为常数
1
• 实际电容器的仿真模型如右图 所示，图中C为理想电容值， R0为电容器的泄漏电阻，其余 的阻容网络为则为介质吸附效 应的仿真。
+
uo
+ N3
f/V转换电路
ui
Um
0V
u2
（扩展）
Tw
0V
UH
u1
0V
uN
0V
UL
UH
u2
UZ
uP
0V
E R6
R + R6
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。
电压频率转换电路
• 电荷平衡型 If 0 t
usc1
Em
0
－Em
t
usc2
0
t
usc3
0
t
Ij
I1
0
t
电压频率转换电路
+U
• 集成V/F转换器
8
精密
电流源
R
电流 输出 1
电流 开关
CL
RL
2 1.9V
基准
电压
- 基准
比较
+器
iS uo 3
频率
RS
输出
V 驱动
输入 -
7
比较
器+
6
偏流
S Q
RS 触发器
元件性能的影响和要求
• 模拟开关的性能参数
为了得到高质量的采样保持电路，场效应模拟开关 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。
模拟开关
• 增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型）
i
S BD
ui
uo
i
D BS
ui
uo
G uc
a)
G uc
b)
Ron
O
uiui
o
模拟开关
关断时间：从发出保持指令地时刻起，直到输出信号稳定下来为止，所需的 时间定义为关断时间。
捕捉时间长，电路的跟踪特性差，关断时间长，电路的保持特性不好，它们 限制了电路的工作速度。
第一节 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
第一节 采样保持电路
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， 则经过单稳态触发器可以将不规则的脉冲波形变成幅度 和宽度都相同的脉冲波形。 2. 用于定时：利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高、 低电平去控制某个电路定时工作。 3. 用于延时
（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。
电压比较电路
一 电平比较电路（单 阈值比较器）
（a）差动比较电路
Uo
-1 ui
+1 UR
a)
# Uo
ui<UR
精度提高的方法（电路）
（1）模拟开关漏电流 的旁路
-E
R
V
V1
ui
∞
-
+
+N
uo
C
Uc
精度提高的方法（电路）
（2）电容校正方法
Uc
R1
VD1 V1
VD2 V2
C1
ui
∞
∞ -
R2
+
R3 V
-
+
+ N2
uo
ui
+ N1
C
ui
∞ -
+ + N1
Ron2
Ron C
C1
∞ -
+ + N2
∞ -
+ + N1
元件性能的影响和要求
• 模拟开关的分类（电压和电流开关）
VX
VK
RL
Ix
IK
RL
(a) 电压开关
(b) 电流开关
元件性能的影响和要求
• 模拟开关的分类（电压和电流开关）
R2
R2
R1
-
+VR
R1
V0
+VR
-
V0
+
+
元件性能的影响和要求
• 模拟开关的分类
按切换的对象使用的元件：机械触点式和电子式开关 机械触点式：干簧继电器，水银继电器及机械振子继 电器等。 电子式开关：二极管、双极性晶体管、场效应晶体管、 光耦合器件及集成模拟开关等。
ui>UR
O UR
ui
b)
图 6-12 电压比较器及其特性
电压比较电路
一 电平比较电路 （b）
ui
R1
∞
R2
Σ-
求和比较电路（阈值
U
+
Uo
+
可变）
R
优点：阈VR值 可RR变12 V 缺点：振零现象
a) un
UR
ui Uo
MN
PQ
电压比较电路
二 滞回比较电路（正反馈阈值）
两个阈值：
R ui
R2
R2
R
U-
- 定时
比较
5
+ 器 U2
2R
S RS Q R 触发器 Q
V
3 2
RS iS
＃S
1
RL 4
iS
暂稳态时， IS对RL,CL 充电
uo
CL
图 6-20 LM131 用作 f/V 转换电路原理图
信号转换电路
模拟数字转换电路
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。
AD转换电路和DA转换电路的基础
理解定义和内容
UR
-1 #
+1
Uo
R1
Uo
O
U1 U2 ui
a)
b)
单方向单阈值
电压比较电路
三 窗口比较电路
Uo
R1
-1
#
“1”
UZ
E
UR1
VS
+1 N1 Uo1
&
RP
UR2
-1
#
R2
+1 N2 Uo2
Uo
O
“0” ui
单方向多个阈值
U
UR2
UR1
ui
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
电压频率转换电路
• 积分复原型 组成：积分器、比较器和积分复原开关等