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模拟电子技术第七章习题解答..docx 13页
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模拟电子技术第七章习题解答.
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习题题 7-1 试从以下几方面对有源滤波器和电压比较器两种信号处理电路进行比较：① 电路中的集成运放工作在哪个区域(非线性区，线性区)；② 集成运放的作用(开关元件，放大元件)；③ 电路中是否引入反馈以及反馈以及反馈的极性(开环，负反馈，正反馈)。解：有源滤波器：集成运放工作于线性区，其作用是放大元件，电路中一般引入负反馈甚至是深度负反馈；电压比较器：集成运放工作于非线性区，其作用是开关元件，电路一般工作于开环状态，或引入正反馈。有些利用稳压管的比较器，当稳压管反向击穿时引入深度负反馈。题 7-2 假设实际工作中提出以下要求，试选择滤波电路的类型(低通、高通、带通、带阻)① 有效信号为20Hz至200kHz的音频信号，消除其他频率的干扰及噪声；② 抑制频率低于100Hz的信号；③ 在有效信号中抑制50Hz的工频干扰；④ 抑制频率高于20MHz的噪声。解：①带通；②高通；③带阻；④低通题 7-3 试判断图P7-3中的各种电路是什么类型的滤波器(低通、高通、带通还是带阻滤波器，有源还是无源滤波，几阶滤波)。
（b） （c）
（d）图 P7-3解：（a）一阶高通滤波器；（b）二阶低通滤波器；（c）双T带阻滤波器（d）二阶带通滤波器题 7-4 在图7-12(a)所示的二阶高通有源滤波电路中，设R=R1=RF=10kΩ,C=0.1μF，试估算通带截止频率f0和通带电压放大倍数Aup，并示意画出滤波电路的对数幅频特性。解：（1）特征频率 通带电压放大倍数电路的等效品质因数：由：得：设-3dB截止频率，，则有由此解得k=1.27，故fp=1.27×159=202Hz（2）在f=f0处，Au=Aup=2，增益为在f=10f0处，增益为在f=100f0处，增益为对数幅频特性曲线如图所示，曲线以40dB/十倍频的速度下降题 7-5 在图7-17(a)所示的过零比较器中，当uI=10sinωt时，试画出uo的波形图(在时间上要对应)。设Uz=±6V。答：图略。题 7-6 在图P7－6 (a)所示的单限比较器电路中，假设集成运放为理想运放，参考电压UREF=－3V，稳压管的反向击穿电压Uz=±5V，电阻R1=20kΩ,R2=30kΩ：① 试求比较器的门限电平，并画出电路的传输特性；② 若输入电压uI是图P7-8(b)所示幅度为±4V的三角波，试画出比较器相应的输出电压uo的波形。
（a） （b）图 P7-6解：①：门限电平为：，输出特性如图所示②输出电压波形如图所示。题 7-7 在图P7-7(a)所示电路中，设集成运放A1、A2、A3、均为理想运放，且其最大输出电压为UOPP=±12V。① A1、A2和A3各组成何种基本应用电路？② A1、A2和A3各工作在线性区还是非线性区？③ 若输入信号Ui=10sinωt(V)，请在图P7-9(b)上画出相应的uo1、uo2和uo3的波形，并在图上标出有关电压的幅值。 （a）（b）图 P7-7 解：①A1组成反相器，A2组成比较器，A3组成跟随器（缓冲器）②A1、A3工作在线性区，A2工作在非线性区；③题 7-8 在图P7-8(a)电路中，设A1、A2均为理想运放，稳压管的Uz＝±4V，电阻R2=R3=10kΩ，电容C=0.2μF，当t=0时电容上的电压为零。输入电压uI是一个正弦波，如图P7-8(b)所示，试画出相应的uo1和uo2的波形，在图上注明电压的幅值。（a）（b）图 P7-8解 ：A1过零比较器；A2积分电路A2:u+=u-=0; uo1=i1R2=iCR2t=0~1ms时，=2000tt=1ms时, uo2==2Vt=1~2ms时, uo2=-2000(t-0.001)+2t=2ms时, uo2=--0.001)+2=0V图 P7-9题 7-9
在图P7-9所示的滞回比较器电路中，已知R1=68kΩ，R2＝100kΩ，RF=200kΩ，R＝2kΩ，稳压管的Uz＝±6V，参考电压UREF＝8V，试估算其两个门限电平UT+和UT－，以及门限宽度ΔUT的值，并画出滞回比较器的传输特性。 解：UREF为参考电压；输出电压为+Uz或-Uz；UI为输入电压。当U+=U-时，输出电压的状态发生改变。比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。当当UI逐渐增大时，使Uo由+Uz跳变为-Uz所需的门限电平UT+=7.3V当当UI逐渐减小时，使Uo由-Uz跳变为+Uz所需的门限电平UT-=3.3V回差（门限宽度）：题 7-10 图P7-10中是正向输入滞回比较器的电路图，试估算其两个门限电平UT+和UT－以及门限宽度ΔUT，并画出正向输入滞回比较器的传输特性。图 P7-10解：=8V;=当u-=u+ 时跳变： ，此时的uI对应门限电平:
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第6章信号转换电路
第6章 信号转换电路测试电路的灵活性体现之一是它能方便地将各类型的 信号进行相互转换。信号转换电路使得各种不同输入输出 器件可以连用。在进行信号转换时需考虑以下两个问题。 一是信号转换电路应具有所需特性；二是要求信号转换电路具有一定的输入输出阻抗以与之相连的器件阻抗匹配。6.1 模拟开关模拟开关在电路中用于实现模拟信号通与断的电子开关器件，它在多路选择、采样保持、开关电容、开关电流和滤波器等电路中都有大量的应用。6.1.1 模拟开关及主要参数模拟开关有三个端子：控制端C、信号输入端I及信号 输出端O。有的I/O可以互换，称为双向开关。 模拟的主要参数：导通电阻：开关闭合时呈现的电阻。截止电阻：开关断开时呈现的电阻。 延迟时间：控制信号改变时对应产生的输出延时，包括导 通和截止延时。常用的开关元件有二极管开关、三极管开关、场效应管开关等 。6.1.2 增强型MOSFET开关电路一、N沟道增强型MOSFET开关电路 1)MOS管的分类与结构MOS管的工作原理建立在半导体表面场效应现象的基础上。所谓表面场效应是指半导体表面有电场作用时，表面载流子浓 度发生变化的现象。 MOS管耗尽型： uGS=0时，就存在导电沟道(iD≠0)增强型： uGS=0时，不存在导电沟道(iD=0)1)结构：金属(Al)―氧化物(SIO2)―半导体 (P型Si)三层结构。2)工作原理 uDS ＝0时，uGS对导电沟道的影响 两个N+区与P区三者间形成两个背靠 ①uGS=0(G、S极间短路)： 背的PN+结，如图所示。这时不管uDS的极性如何，总会有一个 PN+结处于反偏，故漏极电流iD ≈0，管子截止。VDD D S GN+ PN+结P PN+结N+P型衬底B② uGS＞0：第一种情况，0＜uGS＜ UGS(th) ， DS=0。 u 第二种情况，uGS＞ UGS(th) ， 在P型硅表面形成一个电子薄层 →D、S间沟道形成。 uGS越大， 沟道愈厚，沟道电阻愈小。栅极和衬底相当于充有绝缘介质的平板电容器。 这里的UGS(th) 为开启电压， UGS(th) ＞0，其值约为2V~10V。uDS ＝0时uGS对导电沟道的影响uGS＞UGS(th)的某一值时，uDS对iD的影响 ①uDS＜ uGS -uGS(th)，iD ＞0，沟道不等宽。 ② uDS= uGS -uGS(th)，沟道预夹断。 ③ uDS ＞ uGS -uGS(th) ，夹断区延长。(a)uDS＜ uGS -uGS(th)(b)uDS= uGS -uGS(th)(c)uDS ＞ uGS -uGS(th)uGS为大于UGS(th)的某一值时uDS对iD的影响3）特性曲线与电流方程 在恒流区，uGS i D ? I DO ( ? 1) 2 uGS ( th)I DO ? uGS ? 2uGS ( th) 对应的i D(a)转移特性(b)输出特性N沟道增强型MOS管的特性曲线二、CMOS开关电路1. CMOS反相器的工作原理负载线MOS反相器ID UCC R ui=“1”uoui ui=“0” UDS uo=“1”0 uo=“0”负载管 UDD UDDuo ui uiuo驱动管 实际结构等效结构CMOS反相器UDD S A PMOS管VT2 D FVT1 NMOS管CMOS电路工作原理： UDD导通F=“１”SA=0 A VT2 D FVT1截止工作原理： UDD截止F=“０ ”SA=１ A VT2 D FVT1导通CMOS与非门 UDDVTP1导通SVTP2A=0 AB B=0DF=1 F 截止VTN2VTN1UDDVTP1SVTP2A=0 A B B=1导通 FD F=1截止VTN2VTN1UDDVTP1SVTP2导通 FA=1 AB B=0DVTN2F=1VTN1截止截止UDDVTP1SVTP2A=1DF=0AVTN2F导通BB=1VTN1A B 0 0 0 1 1 0 1 1F 1 1 1 0F ? A?B2. CMOS反相器的电压、电流传输特性??CMOS反相器的电压传输特性如图所示。该特性曲线大致分为AB、 BC、 CD三个阶段。UO UD D 1 U 2 DD UTN 0 1 UD D 2 C UTP D UI A BUD DCMOS反相器的电压传输特性? AB段：UI＜UTN输入低电平时，UGS1＜UTN,|UGS2| ＞ |UTP| ，故 V1 截 止 ， V2 导 通 ，UO=UOH≈UDD，输出高电平。CD段：UI＞UDD-|UTP|输入为高电平，V1 导 通 ， 而 |UGS2| ＜ |UTP| ， 故 V2 截 止 ， 所 以UO=UOL≈0，输出低电平。BC段 ： UTN ＜ UI ＜ (UDD-|UTP|)，此 时 由于UGS1 ＞UTN ，UGS2 ＞|UTP|，故V1 、V2 均 导 通 。 若 V1 、 V2 的 参 数 对 称 ， 则UI=1/2UDD 时 两 管 导 通 内 阻 相 等 ，UO=1/2UDD 。因此，CMOS反相器的阈值电压为UT≈1/2UDD 。BC段特性曲线很陡，可见CMOS反相器的传输特性接近理想开关特性， 因而其噪声容限大，抗干扰能力强。CMOS反相器的电流传输特性如图所示， 在AB段由于V1截止，阻抗很高，所以流过 V1和V2的漏电流几乎为0。 在CD段V2截止， 阻抗很高，所以流过V1 和V2 的漏电流也几 乎为0。只有在BC段，V1 和V2 均导通时才 有电流iD 流过V1 和V2 ，并且在UI=1/2UDD 附 近，iD最大。iDUTN 0 A B 1 UD D 2 CUTP D UD D UICMOS反相器的电流传输特性3. CMOS反相器的应用? 1） CMOS与非门和或非门在CMOS反相器的基础上可以构成各种CMOS逻辑门。如CMOS与非门，它由四个MOS管组成。V1 、V2 为两只串联的NMOS管，为驱动管，V3 、V4 为两只并联的PMOS管，为负载管。输出F和输入 A 、 B 之 间 是 与 非 关 系 ， 即 F=A? 。 还 有 B?CMOS或非门电路等。V3 (P) V4 (P) F A B V2 (N) V1 (N)UD DCMOS与非门 （驱动管串联，负载管并联）UD D B A V4 (P) V3 (P) F V2 (N) V1 (N)CMOS或非门 （驱动管并联，负载管串联）2) CMOS门电路的构成规律? 分析复杂的CMOS门电路时，可以不 必像前面一样逐个分析电路中各MOS管的通断情况，而可以按照下面的规律判断电路的功能(或构成CMOS门电路)：?① 驱动管串联，负载管并联； 驱动管并联， 负载管串联。②驱动管相串为“与”， 相并为“或”， 先串后并为先“与”后“或”， 先并后串为先“或”后“与”。③ 驱动管组和负载管组连接点引出输出为“取反”。3） CMOS传输门CMOS传输门的电路结构和逻辑符号如下图 (a) 、 (b)所示。C UD D V2 UI/UO V1 C C (a) (b)CMOS传输门(a) 电路结构； (b) 逻辑符号CUO/UIUI/UOTGUO/UIC UD D UI UI UO RL UI S2C D2 V2 V1 D1 C S1 UO RL UO RLCCMOS传输门中两个MOS管的工作状态?当在控制端C加0V，在C 端加UDD时，只要输入信号的变化范围不超出0~UDD，则V1和V2同时截止，输入与输出之间呈高阻态(＞109Ω)，传输门截 止。 ?? 反之，若C=UDD，C=0V，而且在RL远大于V1、 V2 的导通电阻的情况下，则当0＜ UI ＜ UDD-UTN 时 V1 将导通，而当|UTP|＜ UI ＜ UDD 时V2 导通。因此，UI在0~UDD之间变化时，V1和V2至少有一个是导通 的，使UI与UO两端之间呈低阻态(小于1kΩ)，传输门导通。?由于V1 、V2 管的结构形式是对称的，即漏极 和源极可互换使用，因而CMOS传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可以互易使用。传输门的一个重要用途是作模拟开关，它可以用来传输连续变化的模拟电压信号。 模拟开关的基本电路由CMOS传输门和一个CMOS反相器组成，如图所示。当C=1时，开关接通，C=0时，开关断开，因此只要一个控制电压即可工作。和 CMOS传输门一样，模拟开关也是双向器件。C UI/UO1C TG UO/UI UI/UO SW UO/UI(a)CMOS双向模拟开关? (a) 电路结构； (b) 逻辑符号(b)4） CMOS逻辑门系列? CMOS逻辑门器件有三大系列： ?① 4000系列。 ② 74C××系列。 ?③ 硅-氧化铝系列。 其中4000B系列部分器件如下表所示。 各系列CMOS电路的主要技术参数如下表所示。表编号4000B系列部分器件说 明CD4001B CD4002B CD4011B CD4012B CD4030B CD4050B CD4066B CD4069B CD4085B四―2输入或非门 二―4输入或非门 四―2输入与非门 二―4输入与非门 四―2输入异或门 六缓冲器 六双向模拟开关 六反相器 二―2-2与或非门表逻辑系列各系列CMOS电路的技术参数电源电压/V 功耗/mW每 门 传输延迟/ns每门4000B 74HC/HCT×× 74AC/ACT××3~18 2~6 2~62.5 1.2 0.925~100 10 5CMOS电路的优点：１.静态功耗小。２.允许电源电压范围宽（3?18V）。3.扇出系数大，抗噪容限大。6.1.3 集成模拟开关集成模拟开关种类型号有很多，目前适用于便携应用 的新型低功耗模拟开关导通电阻可达10Ω，泄露电流仅为 2nA。 C544、CD4066均为单片集成CMOS四模拟开关电路 即在同一芯片上集成了四个独立的电路结构完全相同的 CMOS 双相模拟开关单元。6.1.4 模拟多路开关电路模拟多路开关又称模拟多路转换器，他由地址译码器和 多路双向模拟开关组成。根据外部地址输入信号经内部地址译码器选通与地址译码相应的模拟开关单元，从N路模拟输入信号中选取某一路传送到输出端，或把一路模拟输入 信号送到N个输出端中的某一端输出。6.2 采样保持电路采样保持(S/H)电路具有采集某一瞬间的模拟信号并按需 要保持且输出采集的电压数值的功能。t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于 两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uo＝ ui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。采样保持(S/H)电路的主要参数有扑捉时间、孔径时间、 下垂率等。 扑捉时间：从发出采样指令时刻起，直到输出值达到规定的 误差范围内所需要的时间。扑捉时间长则电路跟踪性能差。 孔径时间：从发出保持指令时刻起，直到开关真正断开为止 需要的时间。孔径时间长则电路停止采样响应差。 下垂率：由于存储电容电荷的泄露所引起的输出电压的变化 率。 A/D转换器在对模拟量转换时，需要一定的转换时间， 在此时间内输入的模拟量是不确定的，会引起输出的不确定 误差。正弦波最大相对误差为? ? 2?f ? T ?100%若使用一个采样时间为TAC 、最大孔径时间为TAP的采样 保持器和一个转换时间为TCD 的A/D转换器相连，按采样定 理要求，允许输入信号的最高频率为1 f max ? 2(TAC ? TAP ? TCD )单片集成采样保持器有通用型、高速型、高分辨率型及低下降率型等。如通用型AD582、ICL7135等。7135是应用广泛的4位半双积分A/D转换器（类似的还 有3位半芯片： 5G14433）。6.3 电压比较电路6.3.1 概述 1.概念： 是一种模拟信号处理电路。它是将输入的模拟电压与参考 电压进行比较，其结果是输出两个不同的电平。高电平和低电平。 输入：模拟量 输出：uo= 0(UoL) 1 (UoH)参考电压：（直流）UREF;2. 传输特性u0 ? f (ui )UTuo3. 阈值电压ui使uO从UOH跃变为UOL，或者从UOL跃变为UOH的输入电压称为 阈值电压，或转折电压，记作UT。4.电压比较器结构特点uO UOM 0 uP-uN uP uN ＋ A － uO 正反馈通路-UOMuP uN＋ －AuO5.电压比较器的种类（1）单限比较器uO（2）滞回比较器uO（3）窗口比较器UOH0 UOL UT1 0UOHuO UT2 uI 0 UT1 UT2 uIuIUOL6.3.2 单限比较器 1.过零比较器uI － A ＋uOUREF=0+UOMu0 uI ? 0 时， ? ?UoMuOuI ? 0 时，u0 ? UoMR D1 D20 -UOMuIuI－ A ＋uO DZuI－ A ＋R uO DZ ±UZ uIR－ A ＋ uO2.一般单限比较器R1UREF uI R2 － A ＋uO +UZu’O RuO DZ ±UZ0-UZUTuI利用叠加原理，R1 R2 uN ? uI ? U REF R1 ? R2 R1 ? R2R2 U T ? ? U REF R1uP= 0( U REF ? 0 )令uP= uN=0，求出阈值电压当uI&UT时，uN&up ， 所以u’O=+UOM ，uO=UOH=+UZ ； u 当uI&UT时， N&up ， 所以u’O= -UOM ，uO=UOL=-UZ 。分析电压传输特性三个要素的方法是：[P427] （１）通过电压比较器结构确定UOL和UOH ； （２）写出up和uN的表达式，令uN=up ，解得的输入电压就是阈值 电压UT ； （３） uO在uI过UT时的跃变方向决定于uI作用于集成运放的哪个输入端。当uI从反相输入端输入（或通过电阻接反相输入端）时，uI&UT，uO=UOH ； uI&UT ，uO=UOL ；当uI从同相输入端输入（或通过电阻接同相输入端）时，uI&UT ，uO=UOL ；uI&UT ，uO=UOH 。[例1]在图（a）所示的电路中，稳压管的稳定电压UZ=±6V；在图（b）所示电路中，R1=R2=5k?，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=±5V ；它们的输入电压为图（c）所示的三角波。试画 出图（a）所示电路的输出电压UO1和图（b）所示电路的输出电压UO2。R uIDZ － A ＋ 图(a)uI/V 50uO -5 uo1/V 6 图(c)t解：图(a) 为过零比较器。当uI&0 时， uO1=+UZ = 6V ； 当uI&0时，uO1=-UZ = -6V 。0-6tR1图(b) 为一般单限比较器。 UREFR2 － A ＋R2 ? 5 ? UT ? ? U REF ? ? ? ? 2 ?V ? ?2V R1 ? 5 ?uIu ’O R uO DZ ±UZ当uI&-2V时， uO1=+UZ = 5V ；uI/V 5 0 -2 -5 uo2/V 5 0 -5图(b)当uI&2V时，uO1=-UZ = -5V 。t特点：结构简单，灵敏度高； 抗干扰能力差，易造成电路误动作。t6.3.3 滞回比较器 回差电压uO R2 R1 ?U T ? UZ R1 ? R2 uO UREF R 1 衡量抗干扰能力的强弱DZ ±UZ 越大，抗干扰能力越强，但灵敏度差。 uO=±UZ ；uI－ ? UT 2 A UT1 ? ＋ R20UT1UT2uIuN = uI，R2 R1 uP ? U REF ? UZ R1 ? R2 R1 ? R2令uP= uN，求出阈值电压 R2 R1 UT1 ? U REF ? UZ R1 ? R2 R1 ? R2UT 2 R2 R1 ? U REF ? UZ R1 ? R2 R1 ? R2设t=0时，uO=+UZ ， up =+UT2 ；当uI＜UT2 ， uO=+UZ uI&UT2时， uO= -UZ ， up =UT1 。uI&UT1时，uO= -UZ ， 当uI＜UT1 ， uO=+UZ 重复上述过程 up =UT2 。电压比较器一般接成施密特触发电路的形式，使 其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发电平，这个电平差称为回差电压。让回差电压大于信号中的噪声幅值，可避免比较器在触发点附近因噪声来回反转，回差电压越大，抗干扰能力越强。但回差电压的存在使比较器的触发点不可避免地偏离理想触发位置，造成误差，因此回差电压的选取应该兼顾抗干扰和精度两方面的因素。[例2] 在图（a）所示的电路中，已知R1=50k?，R2=100k?，稳压管的稳定电压±UZ=±9V，输入电压uI的波形如图（b）所示，试画出uO的波形。uI － A ＋ R2 0 R1 图（a） DZ R uO uI/V 3 uO9±UZ-3 图（b） uO/V 9 0t-30 -9+3 uIR1 解：U T ? ? ?U Z R1 ? R2? 50 ?? 9??V ? ?3V ?? ? -9 ? 50 ? 100 ?t6.3.4 窗口比较器URH uI A2 D uO2 2－＋A1uO1 D1uOR1uO R2UzURL设URH & URL ，R1 、 R2和DZ构成限幅电路。 当uI &URH，uO1 =+UOM，uO2 = -UOM 。 D1导通， D2截止 当uI &URL， O1 =-UOM， uO2 = +UOM 。 ，1截止，D2导通 u D ， 当URL &uI &URH， uO1 = uO2 =-UOM， D1和D2均截止，稳压管截止，输出电压uO = 0 uO = UZ uO = UZ+DZ0URLURHuI6.4 电压频率转换电路 6.4.1 V/f转换器?1. V/ F 转换器定义和指标 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或VFC )。 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。?2. 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，如用在数字式测量仪表中。? ?主要用于信号隔离和远距离传输 （1）在工业现场或较大装置的计算机测量控制系统中， 由于各功能模块接地点的电位不同，它对系统内的各部分 电路，尤其是对模拟电路的正常工作有着很大的影响。所 以，测量现场的某些信号或控制设备往往要求隔离，以保 护主机正常工作，完成各项控制功能，如前述的数字式测 量仪表中。（2）模拟信号在传输过程中容易受到各种噪 声干扰，而经过V/F转换后的数字信号具有 较强的抗干扰能力，故适宜远距离传输。 (3) 当隔离电压要求不是很高时可以用光电 隔离器件来实现数据传送，而当隔离电压 要求几千伏甚至上万伏时必须用光纤来传 送。3. 电压频率转换信号隔离示意图4. 电压频率转换的主要方式 多谐振荡式 电荷平衡式（1）多谐振荡式工作原理：这种结构利用电流控制精密多谐振荡器作为基本定时 单元。输入级运算放大器把输入电压转换为与其成比例的 单极性电流来驱动多谐振荡器电路和定时电容器，这个电 流决定定时电容的充放电速率，而定时电容又决定多谐振 荡电路的工作频率。与输入信号成正比的输出频率经过一 个集电极开路的NPN三极管输出为方波。（2）电荷平衡式工作原理：电荷平衡式VFC由一个积分器、比较器、精密电荷源、单 稳多谐振荡器和输出三极管构成。输入信号既可为电压也可为 电流。当积分器输出电压达到比较器的阈值电压时，输出三极 管输出一个脉宽一定的负脉冲，同时精密电荷源被触发，并有 固定的电荷从该积分器中被迁移。电荷放电的速率与被施加的 电压一致，因此电荷源被触发的频率即输出脉冲串的频率与输 入电压成正比，所以实现了电压/频率转换。（3）多谐振荡器式与电荷平衡式VFC的比较1）多谐振荡器式VFC简单、便宜、功耗低，具 有单位占空比的方波输出。但是精度低于电荷 平衡式VFC，而且不能对负输入信号积分。 （如AD654和AD537)2）电荷平衡式VFC比较精确，适合小的模拟信 号输入，而且输入信号可以为双极性，输出波 形是脉冲串。缺点是对电路要求较高，输入阻 抗低(如AD650、AD652和VFC320)。（4）电荷平衡式VFC 模块――AD652原理及应用?1）AD652简介：AD652 是美国AD公司的一种高线性度电荷平衡式V/F 转换芯片。?? ? ?输出频率范围宽:2MHZ(MAX)。线性误差在满频度输出为1MHZ时最大为0.005%。 增益误差：最大为1.5%（Fclk=4MHZ）。 可与TTL或CMOS电平兼容，外接电路简单（仅需一 个积分电容和上拉电阻）。 单极性或双极性供电：单极性0V~36V， 双极性-18V~+18V。 单极性或双极性输入信号：单极性输入信号0V~10V, 双极性输入信号-5V~+5V。???2）AD652组成及工作过程它主要由积分器、比较器、与门、D触发器、 锁存器、转换开关K、1mA恒流源、外部时钟组成 一个闭环系统。单稳电路和输出集电极开路组成输 出级。锁存器的Q端控制转换开关K。当K打向积分 器反向端，为积分器复位过程；当K打向积分器输出 端，为积分过程。3）电荷平衡的建立 所谓的电荷平衡是指 在输入信号电流和内部精密电流源之间建立的一种电荷平衡。 输入积分器有两种工作模式，一个是Integrate Mode（积分模式），一个是Reset Mode（重置模式）。 在积分时间Ti内，输入电流Iin对积分电容CINT充电， Q=Iin×Ti；在重置时间Tr内，放电电流1mA- Iin对积分 电容CINT放电，Q’=(1mA- Iin) × Tr 。Q=Q’，即实现 了电荷平衡。4）电压到频率的转换 由Q=Q’出发，我们可以推导出输入电压和输出频率的关系： Iin×Ti=(1mA-Iin) ×TrTi 1mA? Iin ? Tr IinFoutTi ? Tr 1mA ? Tr IinFclc R ?1m A 1m A ? ? in Fout Vin / Rin VinFclc Vin ? Fclc Vin ? Fclc ? Vin ? ? Rin ?1m A 20K ?1m A 20Tr为输入时钟周期，（Tr+Ti）为输出脉冲周期。 可见，在Rin、F CLC一定的情况下，FOUT与Vin呈线性关系， 从而实现了从电压到频率的转换。由上可知V/F转换实质上就 是向积分器输入一个电流Iin ，通过对积分器正/反向充电时间 的控制，实现输入电压到输出频率的转换。V/F 转换实质上也 是一个I/F转换器。6.4.2 f/V转换器频率是工业控制系统中的一个重要检测参数，通常是用数 字频率计来测量。在某些控制系统中(如恒定调速系统)，为了 实现闭环控制，需要将频率的变化转换成直流电压。由于常规 的测速反馈元件―测速发电机的精度已不能满足高精度闭环控 制的要求，需用高精度的频率―电压转换器来代替测速发电机， 以提高闭环控制精度。1. 频率一电压变换工作原理频率―电压变换是将各种形式的频率（或周期）信号，如 正弦波、三角波、扫描波等，变换成矩形波，然后经滤波后取 出直流分量。由于被测信号的领率与矩形波直流分量成正比， 可以测量矩形波的直流分量来反映被测频率。下图所示就是频 率―电压转换器的原理方框图。以转速测量为例，因转速传感器发出的脉冲数所包含的面积 n udt 等于每转时间T0与电压平均值U0的乘 积，可得：?U01 ? n ? udt ? nf ? udt T0可见，其输出矩形脉冲的平均值取决于 (1)转速传感 器每转发出的脉冲数n (2)每个矩形脉冲的面积 ? udt (3)转速频率f。 对某种已知的转速传感器，n为已知，因此只有在矩 形脉冲面积为常数时，传感器直流输出电压U0才正比于被测频率f。为了提高转换精度，传感器测量电路必须保证整形电路所产生的脉冲面积为某一恒定值。2. 集成f/V变换器LM131系列集成芯片可用作f/V变换器（或V/f ）。它的 输出电压与输入信号的频率成正比。详细内容见芯片介绍。6.5 电压电流转换电路 6.5.1 I/V转换器1. 电流一电压转换的原理如图所示的电流一电压转换 电路，输出电压与输入电流 的 关系为：U0 ? ? R1 ? R f R1 R3 I i如图所示，输出电压与输入电流的 关系为：U0 ? ?R f I i取R3 ? 250?, R1 ? 5.1k?, R f ? 15.3k?在I i ? 0 ~ 10m A范围内，获得 0 ~ 10V的输出电压。2. 0~10mA／0~5V转换电路 当变送器的输出信号为电流信号时,要转化成可被单片机 系统处理的电压信号，需经I／U转换。最简单的I／U转换可 以利用一个500Ω 的精密电阻，将0~10mA的电流信号转换为 0~5V的电压信号。对于不存在共模干扰的0~10mA信号，如DDZ-Ⅱ型仪表的 输出信号等，可用图3-65所示的电阻式I／U转换，其中RC构 成低通滤波网络,RW用于调整输出电压值。对于存在共模干扰 的情况，可采用隔离变压器耦合的方式，将其转换为0~5V电 压信号输出，在输出端接负载时，要考虑转换器的输出驱动 能力，一般在输出端可再接一个电压跟随器作为缓冲器。如图所示为一实用的I／U转换电路，其实质是同相 放大器电路，利用0~10mA电流在电阻上产生输入电压， 若取Ｒ＝200Ω ，则I ＝10mA时，产生2V的输入电压， 该电路的放大倍数为：A ? 1 ? R f / R16.5.2 V/I转换器 1. 简单电压―电流变换Ui I0 ? R52. 0~5V/0~10mA转换电路比较的结果Ui=UfUi IL ? ? RW ? R7 RW ? R7Uf3. 0~10V／0~10mADC转换电路?VN ? VP R4 R2 V2 ? (Vi ? V2 ) ? V1 R1 ? R4 R2 ? R3 又?V2 ? V1 ? V f , 若令R1 ? R2 ? 100k?，R3 ? R4 ? 20k?， R4 1 则有 : V f ? Vi ? Vi R1 5Vi I0 ? ? R f 5R f 当R f ? 200?时， 输出电流在0 ~ 10m A, DC范围内线性地对应 0 ~ 10V输入电压。Vf4. 1~5V／4~20mADC转换电路将1~5V输入电压转换为4~20mA输出电流，如图3-55 所示。 其中基准电压VB＝10V，输入电压加在基准电压 VB上，从反相端输入。晶体管T1、T2组成复合管，作为射 极跟随器并降低T1的基极电流，使I0≈I1 （ I0=I1 - I2 ） 。若R1 ? R2 ? R，则有 : V N ? V P ? VB ? ? 24 ? VB R (1 ? K ) RI1 ?KVi 24 ? VB ? (1 ? K )Vi , I2 ? Rf (1 ? K ) R24 ? KVB 1? K V f ? VN VN ? Vi ? VB I2 ? ? KR R 24 ? V f I1 ? RfKVi 24 ? VB ? (1 ? K )Vi I1 ? , I2 ? , I 0 ? I1 ? I 2 ? I1 Rf (1 ? K ) R若取Rf＝62.5Ω，K＝1／4，则当Vi＝1~5V时， I1=4~20mA，但输出电流I0比I1 小一个误差项I2 ，且该误 差项为一变量，在输出电路为4mA时误差最大。为了减 少转换误差，实际电路可取R1＝40.25kΩ，R2 ＝40kΩ， Rf＝ 62.5Ω， KR＝10k Ω ，可使误差降到最小。 采用上述电路时需要注意，在运放A两端有较高的 共模电压，当电源电压为24V时，同相端和反相端的电 压可高达21.2V ，因此，在运放的选用时要选取具有耐 高共模电压的运放；同时由于A的最大输出电压接近电源 电压，因此对该运放的最大输出电压亦有要求。5．0.1~0.5V／1~5mA转换电路 其作用是将0.1~0.5V输入电压转换成恒流1~5mA输 出，其电流不受负载的影响。采用了负载接地的电流源， 其电路原理如图3-56所示。I0 ? U i R11 ? R13 ? R12 ? U0 R12 R12 R13当满足：R11 ? R13 ? R12 ? 0时， 则 I0 ? Ui R12输出电流与输出电压无 关。它由两个运算放大器组成，其线路的主要优点是易恒流， 另外没有共模电压。其输入与输出关系为：Ui U0 U1 U 2 ? ?? ? R11 R13 R11 R11 U 2 ? U 0 U 0 U i R11 ? R13 ? R12 I0 ? ? ? ? U0 R12 R13 R12 R12 R13若未满足条件，即 11 ? R13 ? R12 ? 0时， R 则会产生误差，若误差 不超过10?时， 所引起的相对误差为 .06%，实际误差会更小。 0 为了在输入电压为 .1V时输出电流为 m A； 0 1 输入电压为 .5V时，输出电流为 .5m A， 0 0 电阻选择如下： R12 ? 100?，R11 ? 100k?，R13 ? 99.9k?6. 集成U／I 转换电路在实现0~5V/DC，0~10V /DC 及1~5V/DC 与0~10mA/ DC ，4~20mA/DC转换时，也可直接采用集成电压／电流转 换电路来完成，下面以高精度电压／电流变换器ZF2B20和 AD694 为例来分析这种电路的使用。 ZF2B20是通过U/I变换的方式产生一个与输入电压成比 例的输出电流。它的输入电压范围是0~10V ，输出电流是 4~20mA(加接地负载) ，采用单正电源供电，电源电压范围 为10~32V ，它的特点是低漂移，在工作温度为-24~+85℃范 围内，最大漂移为0.005％/ ℃ ，可用于控制和遥测系统，作为子系统或分系统之间的信息传送和传输连接。ZF2B20的输入电阻为10kΩ，动态响应时间小于25 μs，非线性小于±0.025％。 利用ZF2B20实现电压／电流转换极为方便。下面图示 电路是一种带初始较准的0~10V到4~20mA转换电路； AD694则是一种带满度较准的0~10V到0~10mA转换电路。另一种常用的U/I转换器是AD公司的AD694。D694 是一种4~20mA转换器，适当接线也可使其输出范围为 0~20mA。上图为D694的外引脚图。AD694的主要特点是：1)输出范围： 0~20mA ，4~20mA 。2)输入范围；0~2V或0~10V。3)电源范围：+4.5~36V。 4)可与电流输出型D／A转换器直接配合使用，实现程控电流输出。5)具有开路或超限报警功能。对于不同的电源电压、输入和输出范围，其引脚接线也各不相同， 下表3-3为其不同场合使用时的接线表。AD694 的使用也较为简单， 对于0~10V输入，4~20mA输 出，电源电压大于12.5V的情况 可参考右图的基本接法。在这 种情况下，输出能驱动的最大 负载为： RL＝(Vs-2)／20mA (kΩ) 如当电源电压为12.5V时，其最大负载电阻为525Ω。AD694还可与8位、10位、12位等电流输出型D／A转换器直接 配合使用。如利用12位D／A转换器AD7541A时，可参考下图接法。AD7541用单电源供电， AD694输出范围为 4~20mA。694还设有 调零端和满刻度调整 端，具体调整方法参 考使用手册。6.6 模拟数字转换电路能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简 称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称 为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是 沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的 接口。应用电路框图如图所示。多 路 开 关 多 路 开 关功率放大 执行机构 加热炉数 字 控 制 计 算 机DAC…功率放大 信号放大…执行机构 温度传感器…加热炉ADC…信号放大…温度传感器随着大规模集成电路的发展及计算机的普及，越来越多 的检测及计量仪器采用微电脑控制或计算机处理。当仪器及 装置中配用微机后，不但扩大了仪器的功能，提高了仪器的 测量精度，而且大大简化了硬件电路，开拓了电路设计的机 动性，提高了可靠性。 为了使检测信号适应微机计算和控制，必须将信号转换 成数字量。然而，由传感器测的信号多数情况下是模拟量。 同时，经计算机处理后的信号又需反馈给传感器或某执行机 构，而这类信号又往往需要的是模拟量。因此，须进行模拟 量与数字量之间的转换。 有些仪器采用数字指示后，不但可减少仪器的读数误差， 而且提高了仪器的动态响应。在精密测试仪器中A／D、D／ A转换器是两个重要组成部分。6.6.1 D/A转换器一、 D/A转换器的基本原理1．D/A 转换器的基本原理和转换特性基 本 原 理 将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换 成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相 加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样 便实现了从数字量到模拟量的转换。d0 输入 d1 uo 或 io…dn－1D/A输出uo ? Ku (dn ?1 ? 2n ?1 ? dn ? 2 ? 2n ? 2 ? ? ? d1 ? 21 ? d0 ? 20 )uo (V)转 换 特 性7 6 5 4 3 2 1 0D000 001 010 011 100 101 110 111D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之 间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的 转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量 与输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=Ku×D或输出 模拟电流io=Ki×D。其中Ku 或Ki为电压或电流转换比例系数， D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进 制数dn-1dn-2…d1d0，则输出模拟电压为：uo ? Ku (dn ?1 ? 2n ?1 ? dn ? 2 ? 2n ? 2 ? ? ? d1 ? 21 ? d0 ? 20 )2．D/A 转换器的主要技术指标（1）分辨率 分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的 D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状 态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。 分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压 的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：1 1 ? ? 0.001 10 2 ? 1 1023（2）转换精度 D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值 之差，即最大静态转换误差。 （3）输出建立时间 从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要 的时间，称为输出建立时间。二、 D/A转换器的构成1．二进制权电阻网络 D/A 转换器+VREF IREF R S3 I3 2R S2 I2 4R S1 I1 8R S0 i － uo + d3 d2 d1 d0 I0 iF RF不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地， 也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变的。VREF I0 ? 8RVREF I1 ? 4RVREF I2 ? 2RVREF I3 ? R+VREFIREF R S3I32R S2I24R S1I18R S0I0 iF i －设RF=R/2RFuo + d3 d2 d1 d0i ? I 0 d 0 ? I1d1 ? I 2 d 2 ? I 3d 3 VREF VREF VREF VREF ? d0 ? d1 ? d2 ? d3 8R 4R 2R R VREF ? 3 (d 3 ? 23 ? d 2 ? 2 2 ? d1 ? 21 ? d 0 ? 20 ) 2 R R VREF uo ? ? RF iF ? ? ? i ? ? 4 (d 3 ? 23 ? d 2 ? 2 2 ? d1 ? 21 ? d 0 ? 20 ) 2 22．倒 T 型电阻网络 D/A 转换器A IREF +VREF 2R S3 I' 3 I3 R 2R S2 B I' 2 I2 R 2R S1 C I' 1 I1 R 2R S0 D I' 0 I02R iF － i + uo RFd3d2d1d0①分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。 ②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接 到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。从参考电压端输入的电流为： I REFVREF ? RA IREF +VREF 2R S3 I' 3 I3 RB I' 2 I2 RC I' 1 I1 RD I' 0 I02R S22R S12R S02R iF － i + uo RFd3d2d1d0I REFVREF 1 I 3 ? I REF ? 2 2R VREF 1 I 1 ? I REF ? 8 8RVREF ? RVREF 1 I 2 ? I REF ? 4 4R VREF 1 I 0 ? I REF ? 16 16RA IREF +VREF 2R S3 I' 3 I3 RB I' 2 I2 RC I' 1 I1 RD I' 0 I02R S22R S12R S02R iF － i + uo RFd3d2d1d0i ? I 0 d 0 ? I 1 d1 ? I 2 d 2 ? I 3 d 3 VREF 1 1 1 1 ? ( d 0 ? d1 ? d 2 ? d 3 ) 16 8 4 2 R VREF ? 4 ( d 3 ? 2 3 ? d 2 ? 2 2 ? d 1 ? 21 ? d 0 ? 2 0 ) 2 RVREF RF uo ? ? RF iF ? ? RF i ? ? 4 (d3 ? 23 ? d 2 ? 22 ? d1 ? 21 ? d 0 ? 20 ) 2 R三、 集成D/A转换器及其应用VCC(+5V) NC GND VEE Io D7 D6 D5 D4 1 2 3 4 5 6 7 8 DAC 14 13 12 11 10 9 COP VREF(-) VREF(+) VCC D0 D1 D2 D3 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2.4kΩ 5 13 6 7 8 DAC 11 12 3 14 15 2 4 16 Io RL+VREF(+5V) 2.4kΩ0.1μ F VEE (-5V) (b) D/A 转换电路(a) 引脚排列图例：在10位倒T型D/A转换器中，外接参考电压VREF= -10V。 为保证VREF偏离标准值所引起的误差小于0.5LSB，试计算VREF 的相对稳定度应取多少？ 解：输入只有LSB=1，而其余为零时，输出电压：?u0 ? ? ?VREF ?VREF (d n?1 ? 2 n?1 ? d n?2 ? 2 n?2 ? ? ? d 1 ? 21 ? d 0 ? 2 0 ) ? ? 2n 2n0．5LSB相应的输出电压：VREF VREF 1 VREF ? ? ? n n ?1 2 2 2 211 VREF 即 : ?u0 ? 211?u0 ?(2n ? 1) ?VREF 2n?(210 ? 1) ?VREF 210?VREF 211参考电压VREF的相对稳定度为：?VREF VREF1 210 ? 11 ? 10 ? 0.05% 2 2 ?1输入数字全为1时，输出的变化率最大，这时输出的绝对值为：VREF 211 210 ? 10 ? 5m V 2 ?1?VREF ?小结：D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信 号转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根 据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A 转换器和T型电阻网络D/A转换器两大类。由于T 型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻， 因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采 用这种电路结构。 如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器 的输出电压为：VREF u o ? ? n (d n ?1 ? 2 n?1 ? d n ?2 ? 2 n ?2 ? ? ? d1 ? 21 ? d 0 ? 2 0 ) 26.6.2 A/D转换器一、 A/D转换器的基本原理1．A/D 转换器的基本原理CPS ui (t) us (t) S C ADC 的数字 化编码电路 dn-1…d1 d0数字量输出 (n 位)ADC 输入模拟电压 采样-保持电路采样展宽信号模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的 过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上 的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电 压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。2．采样-保持电路－ A1 + S uC － A2 + CH 0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t 11 (b) 波形图 t uo , ui uo ui uoui开关驱 动电路 (a) 电路图采样脉冲（fS）t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放 大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uo＝ui。t1时 刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻 抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充 电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不 变。采样定理： f s ? 2 f i max3．A/D 转换器的主要技术指标（1）分辨率 A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多， 误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围 为 0 ～ 5V ， 输 出 8 位 二 进 制 数 可 以 分 辨 的 最 小 模 拟 电 压 为 5V×2－8＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟 电压为5V×2－12≈1.22mV。 （2）相对精度 在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度 是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。 （3）转换速度 转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接 到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所 经过的这段时间。R/2VREF 比较器 － C7 + － C6 +寄存器 1D C1 FF7 1D C1 FF6 1D C1 FF5 1D C1 FF4 1D C1 FF3 1D C1 FF2 1D C1 FF1 Q7编码器二、 A/D转换器的构成1．并联比较型 A/D 转换器d2RQ6 & Q5R － C5 + R ui R － C3 + R － C2 + R － C1 + R/2 CP － C4 +Q4 Q4 Q3 & & &d1Q2 Q2 & Q1 d0 &0≤ui ＜ VREF/14 时 ， 7 个 比较器输出全为0，CP 到来后，7个触发器都 置0。经编码器编码后 输出的二进制代码为 d2d1d0＝000。 VREF/14≤ui ＜ 3VREF/14 时，7个比较器中只有 C1 输出为1，CP到来后， 只有触发器FF1置1，其 余触发器仍为0。经编 码器编码后输出的二进 制代码为d2d1d0=001。R/2VREF 比较器 － C7 + － C6 +寄存器 1D C1 FF7 1D C1 FF6 1D C1 FF5 1D C1 FF4 1D C1 FF3 1D C1 FF2 1D C1 FF1 Q7编码器3VREF/14≤ui ＜ 5VREF/14 时 ，比较器C1 、C2 输出为1，d2RCP到来后，触发器FF1 、 FF2 置1。经编码器编码后Q6 & Q5R － C5 + R ui R － C3 + R － C2 + R － C1 + R/2 CP － C4 +输出的二进制代码为d2d1d0＝010。d1Q4 Q4 Q3 & & &5VREF/14≤ui ＜ 7VREF/14 时 ，比较器C1 、 C2 、 C3 输出为1，CP到来后，触发器 FF1 、 FF2 、 FF3 置1。经编码器编码后输出的二进Q2 Q2 & Q1 d0 &制代码为d2d1d0=011。 依此类推，可以列出ui 为 不同等级时寄存器的状态 及相应的输出二进制数。输入模拟电压寄存器状态输出二进制数 d2 0 0 0 0 1 1 1 1 d1 0 0 1 1 0 0 1 1 d0 0 1 0 1 0 1 0 1(0 ~1 ( 14 ~ 3 ( 14 ~ 5 ( 14 ~ 7 ( 14 ~ 9 ( 14 ~ 11 ( 14 ~1 14uiQ7 Q6 Q5 Q4 Q2 Q2 Q1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1)V REF )V REF )V REF3 14 5 14 7 14 9 14 11 14 13 14)V REF )V REF )V REF )V REF(13 14~ 1)V REF2．逐次逼近型 A/D 转换器原 理 框 图输出数字量 输入模拟电压 ui 顺序脉冲 发生器 逐次逼近 寄存器 D/A 转换器 uo 电压 比较器基 本 原 理转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲 首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数 码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo ，送到比较器中与 ui进行比较。若ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清 除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后， 再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这 个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。 比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。逐次逼近型A/D转换器原理框图如下：逐次逼近型A/D转换器原理框图比较器3位逐次逼近型A/D转换器uo 3 位 D/A 转换器 FFA Q 1S C1 1R FFB Q 1S C1 1R ≥1 G 4 G1 & G2 & FF C 1S C1 1R ≥1 G5 G3 & Q & G6 & G7 &寄存器 初值000 逻辑 控制 电路ui － + C uc=d2 (22 )d1 (21 )=1(ui & uo ) u c =0(ui ≥uo )d0 (20 )G8FF1 CP 1D C1 Q1FF2 1D C1 Q2FF3 1D C1 Q3FF4 1D C1 Q4FF5 1D C1 Q5FF1~ 5为循 环移 位寄 存器初值10000例子:8位逐次逼近型A/D转换器如0809工作原理转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP 到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA 被置1，FFB 和FFC 被 置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器 的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较， 当若ui＜uo时，比较器输出uc=1；当ui≥uo时，uc=0。 第 二 个 CP 到 来 后 ， 环 形 计 数 器 右 移 一 位 ， 变 成 Q2=1 ， Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若 原来uc=0，则FFA的1状态保留。同时，Q2的高电平将FFB置1。 第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置 1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否 应该保留。 第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门 G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。 第五个CP到来后，计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA 、 FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。3．双积分型 A/D 转换器基本原理：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入 模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间 隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就 正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。 原理电路工作原理 1.双积分式A/D转换器 是一种电压-时间转换方式器件。基本原理如 下图所示。工作过程分为三步： ①复位：S接地，使积分器为零，器件复位；②定时积分：S接通外部输入Vi ，进行固定时间T1 积分，积分器有一个对应的输出值V0。 T1V0 ? ?RCVi计数值为：2n N2 ? Vi VREF③比较积分：S接通基准电源输入VREF，积分器反 向放电，同时计数器开始以固定频率计数，到积 分器输出为零时为止，持续时间为T2，则计数器 的计数值N2与Vi成正比，即为对应转换数值。T2 T1 V0 ? VREF ? Vi ? 0 RC RC T1 T2 ? Vi VREF2n N2 ? Vi VREF结论：在T1、Vi为常数的情况下，T2正比于Vi值。 所以，计数值N即为对应数值。2n N2 ? Vi VREF特点：速度慢、精度高、抗干扰强。 例子：双积分型A/D转换器如ICL33。7135是应用广泛的4位半双积分A/D转换器（类似的还有3位半芯片： 5G14433）。 7135的主要性能特点为： ①输入阻抗达109Ω以上； ②自动校零；③有精确的差分输入电路；④自动判别信号极性； ⑤有超、欠压输出信号； ⑥采用BCD码扫描输出。TTL兼容输出。 特点：速度慢、精度高、抗干扰强7135外部结构：采用28脚双列直插封装。7135引脚功能如下：{1}脚（V-）-5V电源端； {2}脚（VREF）基准电压输入端；{3}脚（AGND）模拟地；{4}脚（INT）积分器输出端，接积分电容；{5}脚（AZ）自动校零输入；{6}脚（BUF）缓冲器输出端，接积分电阻； {7}脚（CREF+）基准电容正端； {8}脚（CREF-）基准电容负端； {9}脚（IN-）被测信号负输入端；{10}脚（IN+）被测信号正输入端；{11}脚（V+）+5V电源端；{12}、{17}～{20}脚（D1～D5）位扫描输出端； {13}～{16}脚（B1～B4）BCD码数据输出端；{21}脚（BUSY）忙状态输出端；{22}脚（CLK）时钟信号输入端；{23}脚（POL）负极性信号输出端；{24}脚（DGND）数字地端； {25}脚（R/H）转换／保持控制端； {26}脚（STR）数据选通输出端； {27}脚（OR）超量程状态输出端；{28}脚（UR）欠量程状态输出端。7135内部功能框图，包括：极性触发、过零 检测、逻辑控制、BCD码计数器、数据锁存器、多 路选通开关分配器。如下图所示：7135模拟电路工作时续图，主要描述积分器 的输出与有关信号的状态：7135数字电路工作时序图：7135模拟电路连线：7135与单片机连线要求：
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