信号采集原理ppt.pptx

信号采集原理信号转换电路从信息形态变化得观点将各种转换分为三种:从自然界物理量到电量得转换电量之间得转换从电量到物理量得转换采样保持电路基本性质捕捉时间:从发出采样指令得时刻起,直到输出信号稳定地跟踪上输入信号 为止,所需得时间定义为捕捉时间关断时间:从发出保持指令地时刻起,直到输出信号稳定下来为止,所需得 时间定义为关断时间。捕捉时间长捕捉时间长,电路得跟踪特性差电路得跟踪特性差,关断时间长关断时间长,电路得保持特性不好电路得保持特性不好,它们它们限制了电路得工作速度。限制了电路得工作速度。第一节 采样保持电路采样保持电路得基本性质组成:1.模拟开关2.模拟信号存储电容3.缓冲放大器第一节 采样保持电路第一节 采样保持电路fsfminfsfmin采样保持电路 对采样保持电路得主要要求:精度与速度为提高实际电路得精度与速度,可从元件与电路两方面着手解决。元件性能得影响与要求输入输出缓冲器 特别需注意得参数:输入偏置电流以及带宽,上升速率与最大输出电流等性能参数。元件性能得影响与要求模拟开关 模拟开关就是一种在数字信号控制下将模拟信号接通或断开得元件或电路。该开关由开关元件与控制(驱动)电路两部分组成。控制电路开关元件元件性能得影响与要求模拟开关得分类 按切换得对象分:电压与电流开关 电压模拟开关得特点就是:当开关断开时,跨于它两端得电压总与被换接得电压Vx有关,而且通过开关得电流则与负载RL有关。电流模拟开关得特点就是:不管负载电阻RL得大小如何,流过开关得电流总就是与被换接得电流Ix相等,而且换接得电压则由RL*Ix决定。元件性能得影响与要求模拟开关得分类(电压与电流开关)大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点元件性能得影响与要求模拟开关得分类(电压与电流开关)元件性能得影响与要求模拟开关得分类 按切换得对象使用得元件:机械触点式与电子式开关 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。元件性能得影响与要求模拟开关得性能参数 静态特性:主要指开关导通与断开时输入端与输出端之间得电阻Ron与Roff,此外还有最大开关电压、最大开关电流与驱动功耗等。动态特性:开关动作延迟时间,包括开关导通延迟时间Ton与开关截止延迟时间Toff,通常TonToff,理想模拟开关时Ton0,Toff0元件性能得影响与要求模拟开关得性能参数 为了得到高质量得采样保持电路,场效应模拟开关得速度应快,极间电容,夹断电压或开启电压,导通电阻与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)模拟开关CMOS开关电路集成模拟开关CMOS开关电路多路模拟开关元件性能得影响与要求存储电容 选用介质吸附效应小与泄漏电阻大得电容器,如聚苯乙烯,钽电容与聚碳酸脂电容器等。(原因:当电路从采样转到保持,介质得吸附效应会使电容器上得电压下降,被保持得电压低于采样转保持瞬间得输入电压,峰值检波器复位时,电容放电,介质吸附效应会使放电后得电容电压回升,引起小信号峰值得检波误差。电容器得泄漏电阻引起电容上得保持电压随时间逐渐减小,降低保持精度)什么就是电容得吸附效应？在实际电容器中,电容器介质得偶极子及其界面极化得形成与消失都不可能瞬时实现,往往需要一定得时间,因而使电介质常数随信号频率与环境温度变化,不能似为常数实际电容器得仿真模型如右图所示,图中C为理想电容值,R0为电容器得泄漏电阻,其余得阻容网络为则为介质吸附效应得仿真。什么就是电容得吸附效应？实验分析表明,阻容电路得时间常数相差很大,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)切断电源将电容器短路,且 T短路时间(35)MAX(T阻容电路)、总结 从元件方面来瞧,提高精度得重要措施就是 减小各种漏电流与偏置电流,选用介质吸附效应小得电容器,减小开关导通电阻等得影响。提高工作速度得措施就是提高开关速度,减小开关极间电容得影响,选用上升速率与输出电流大得运算放大器。精度提高得方法(电路)(1)模拟开关漏电流得旁路精度提高得方法(电路)(2)电容校正方法精度提高得方法(电路)(2)电容校正方法得矛盾 精度 速度提高速度得方法(电路)减少反馈回路中得时间常数数目来提高速度单片集成采样保持电路总结模拟开关:要求模拟开关得导通电阻小,漏电流小,极间电容小与切换速度快。存储电容:要选用介质吸附效应小得与泄漏电阻大得电容。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)大得运算放大器;输入运放还应具有大得输出电流 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与专用集成比较器得区别？(1)比较器得一个重要指标就是它得响应时间,它一般低于10-20ns。响应时间与放大器得上升速率与增益-带宽积有关。因此,必须选用这两项指标都高得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得带宽来提高响应速度。(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,使它得高,彽输出电位满足数字电路逻辑电平得要求。电压比较电路 一 电平比较电路(单阈值比较器)(a)差动比较电路电压比较电路 一 电平比较电路 (b)求与比较电路(阈值可变)优点:阈值可变 缺点:振零现象电压比较电路 二 滞回比较电路(正反馈阈值)两个阈值:单方向单阈值电压比较电路 三 窗口比较电路 单方向多个阈值电压频率转换电路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得频率信号,即它得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,锁相与A/D变换等许多技术领域得到非常广泛得应用。指标:额定工作频率与动态范围,灵敏度或变换系数,非线性误差,灵敏度误差与温度系数等电压频率转换电路积分复原型 组成:积分器、比较器与积分复原开关等电压频率转换电路电荷平衡型电压频率转换电路电荷平衡型电压频率转换电路集成V/F转换器电压频率转换电路集成V/F转换器f/V转换电路通用f/V 转换电路 包括三个部分:电平比较器,单稳态触发器与彽通滤波器f/V转换电路 Tw 0V 0V u2 uN uP Um UH UL 66RRRE+UH 0V 0V 0V ui u1 u2 UZ（扩展）单稳态触发器得工作特点:具有一个稳态与一个暂稳态两种工作状态。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。暂稳态维持时间得长短取决于电路得参数。单稳态触发器得应用单稳态触发器就是一种脉冲整形电路,多用于脉冲波形得整形、延时与定时。1、脉冲整形:对于幅度与宽度都不规则得脉冲信号,只要这些脉冲得幅度都大于单稳态触发器得触发电平,则经过单稳态触发器可以将不规则得脉冲波形变成幅度与宽度都相同得脉冲波形。2、用于定时:利用单稳态触发器暂稳态期间输出得高、低电平去控制某个电路定时工作。3、用于延时利用单稳态触发器暂稳态期间输出得高电平去控制与门得开 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得操作。延时 脉冲形成f/V转换电路集成f/V转换器稳态:Q=0暂稳态:Q=1暂稳态持续时间由Rt,Ct充电时间决定。暂稳态时,IS对RL,CL充电信号转换电路模拟数字转换电路AD转换电路与DA转换电路得基础理解定义与内容1 分辨率:对应一个数字输出得模拟输入电压有一定得幅度范围,若超过这个幅度范围,数字输出就会发生变化,这样能分别得电压范围叫做分辨率。通常用LSB(Least Significant Bit)表示。AD转换电路与DA转换电路得基础理解定义与内容2 量化与量化误差:将幅度连续取值得模拟信号变为只能取有限个某一最小当量得整数倍数值得过程称为量化。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得误差,最大误差可达到1LSB得1/2。此误差叫做量化误差。AD转换电路与DA转换电路得基础理解定义与内容2 量化与量化误差:AD转换电路与DA转换电路得基础理解定义与内容3 精度:理想得ADC就是指不含量化误差以外得误差,但实际上由于使用得元件与噪声等产生各种误差。精度就是表示所含误差得比例,用刻度得百分比或PPM表示。精度分为绝对精度与相对精度。AD转换器A/D转换器得基本原理1 双积分式A/D转换器AD转换器A/D转换器得基本原理2 逐次逼进式A/D转换器AD转换器A/D转换器得基本原理3 并行比较式A/D转换器AD转换器集成A/D转换器ADC0809AD转换器集成A/D转换器ADC0809DA转换器D/A转换器得转换特性对n位D/A转换器 ,设其输入就是n位二进制数字输入信号Din(d1,dn),Din=d1x2-1+dnx2-n如果D/A转换器得基准电压位UR,则理想D/A转换器得输出电压U0可表示为U0=UR*DinDA转换器D/A转换器结构及原理单片D/A转换器得基本组成包括基准电压源,电阻解码网络,电子开关阵列与相加运算放大器四部分组成。1 加权电阻网络电路DA转换器集成D/A转换器AD-DA转换器实例仿真有一模数数模转换电路如图,试根据不同转换频率,仿真该电路REF1=REF2=10VIn 10sin4t1E9