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1、,5.1 概述,5.2 采样/保持器的工作原理,5.3 类型和主要性能参数,第5章 采样保持器,5.4 采集速率与采样/保持器的关系,5.5 测量放大器的使用,5.5 测量放大器的使用,5.1 概述,第5章 采样保持器,问题：,模拟信号进行 AD 转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。,解决方法：,采用一种器件，在AD转换时保持住输入信号电平，在AD转换结束后跟踪输入信号的变化。,这种功能的器件就是采样保持器。,第5章 采样保持器,5.2 采样保持器的工作原理,采样保持器的一般结构形式如图5.1所示。,模拟信号,Ui,K,驱动信
2、号,模拟地,UO,图5.1 采样保持器的一般结构形式,5.2 采样保持器的工作原理,组成,模拟开关K,电容CH,缓冲放大器A,在t1时刻前，控制电路的驱动信号为高电平时，模拟开关K 闭合，模拟输入信号Ui 通过模拟开关加到电容CH 上，使得CH端电压UC 跟随Ui 变化而变化。,在t1时刻，驱动信号为低电平，模拟开关K断开，此时电容CH 上的电压UC 保持模拟开关断开瞬间的Ui 值不变并等待AD转换器转换。,5.2 采样保持器的工作原理,工作原理如下：,t,控制信号,t,模拟输入,A,t,采样输出,跟踪,t1,A2,t2,A1,t3,保持,A3,t4,A,图5.2 采样保持器工作原理,而在t2
3、时刻，保持结束，新一个跟踪时刻到 来，此时驱动信号又为高电平，模拟开关K 重新闭合， CH 端电压UC 又跟随Ui 变化而变 化；,t3时刻，驱动信号为低电平时，模拟开关K断开，.。,5.2 采样保持器的工作原理,从以上讨论可知：,采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件。,5.2 采样保持器的工作原理,它具有两个稳定的工作状态：,跟踪状态,在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。,保持状态,对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。,5.2 采样保持器的工作原理,采样保持器主要起以下两种作用：,“稳定” 快速变化的输入信号，以
4、减少转换误差。,用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。,第5章 采样保持器,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,1. 采样保持器的类型,按结构分为两种类型：,串联型,串联型采样保持器的结构如图5.3 。,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,A1和A2分别是输入和输出缓冲放大器，用以提高采样保持器的输入阻抗，减小输出阻抗，以便与信号源和负载连接。,K是模拟开关，由控制信号电压UK控制其断开或闭合。CH是保持电容器。,Ui,K,UK,模拟地,UO,图5.3 串联型采样保持器的结构,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,优点：,缺点：,其失调电压为两个运放
5、失调电压之和，比较大，影响到采样保持器的精度。,跟踪速度也较低。,结构简单,反馈型,反馈型采样保持器的结构如图5.4 所示。,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,其输出电压反馈到输入端，使和共同组成一个跟随器。,开关和有互补的关系：,K1闭合，K2断开,K1断开， K2闭合,图5.4 反馈型采样保持器的结构,Ui,模拟地,K1,UK,UC,UO,K2,作用：,当K1闭合， K2断开时，A1和A2共同组成一个跟随器，采样保持器工作于跟踪状态。,此时，保持电容CH的端电压为,式中 eOS1 和 eOS2 分别为运放 A1和A2的失调电压。,当K1断开， K2闭合时，采样保持器工作于保持状态。,
6、此时， CH的端电压保持在K1断开瞬间的Ui值上，使,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,优点：, 采样/保持精度高，原因是只有eOS1影 响精度。, 跟踪速度快,缺点：,结构复杂。,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,孔径时间tAP ,保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。,如图5.5所示。,2. 采样保持器的主要性能参数,孔径时间tAP,捕捉时间,孔径不定,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,由图5.5可知，在tAP后的输出还有一段波动，经过一定时间tST后才保持稳定。,t,U,孔径误差,实际输出,希望的输出,模拟信号,保持,跟踪,保持指令发出时刻,tAP,tAP,t
7、AC,tST,保持,图5.5 采样保持全过程,为了量化的准确，应在发出保持指令后延迟一段时间，再启动AD转换。,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,由于孔径时间的存在，而产生,孔径误差,采样保持器实际保持的输出值与希望输出值之差。,孔径不定tAP,孔径不定tAP ,孔径时间的变化范围。,孔径时间使采样时刻延迟。,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,如果延迟时间不变，则对总的采样结果的精确性不会有太大影响。,但若孔径时间在变化，则对精度就会有影响。,捕捉时间tAC,捕捉时间,指当采样保持器从保持状态转到跟踪状态时，采样保持器的输出从保持状态的值变到当前的输入值所需的时间。,5.3 采样保
8、持器的类型和主要性能参数,捕捉时间不影响采样精度，但对采样频率的提高有影响。,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,保持电压的下降,当采样保持器处在保持状态时，由于漏电流使保持电压值下降，下降值随保持时间增大而增加，常用保持电压的下降率来表示：,式中 I 保持电容CH的漏电流。,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,为了使保持状态的保持电压的变化率不超过允许范围，须选用优质电容。,增加的值可使保持电压的变化率不大，但将使跟踪的速度下降。,馈送,馈送,指输入电压Ui的交流分量通过开关K的寄生电容CS加到CH上，使得Ui的变化引起输出电压UO的微小变化。,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数
9、,交流分量引起的误差。,保持电容器CH，馈送，但不利于采样频率的提高。,图5.6 馈送的通路,Ui,UO,K,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,跟踪到保持的偏差,跟踪到保持的偏差,跟踪最终值与建立保持状态时的保持值之间的偏差电压。,该误差与输入信号有关，是一个不可预估的误差。,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,电荷转移偏差,电荷转移偏差,指在保持状态时，电荷通过开关K 的寄生电容转移到保持电容器上引起的误差。,保持电容器CH，电荷转移偏差，,采样保持器的响应时间。,此误差由直流分量引起。,5.3 采样保持器的类型和主要性能参数,由以上讨论可以看出，采样保持器的性能在很大程度上取决于
10、保持电容器的质量。因此，应该选择优质电容器。,第5章 采样保持器,5.4 系统采集速率与采样保持器的关系,首先讨论不用采样保持器，而直接用AD转换器对模拟信号进行转换的情况。,设模拟信号如图5.8所示。,5.4 系统采集速率与采样保持器的关系,对正弦信号采样，在t内，模拟信号电压的最大变化率发生在正弦信号过零时，,t,t,U,U,图5.8 正弦信号的最大变化率,5.4 系统采集速率与采样保持器的关系,由于在正弦信号过零时，t = n，|cos(n)| =1，所以,则,5.4 系统采集速率与采样保持器的关系,而在AD转换时间tCONV内，输入的正弦信号电压最大变化率可能为,由此可得出,5.4 系
11、统采集速率与采样保持器的关系,如果在转换时间tCONV内，正弦信号电压的最大变化不超过1LSB所代表的电压，则在Um = FSR条件下，数据采集系统可采集的最高信号频率为,5.4 系统采集速率与采样保持器的关系,则系统可采集的最高信号频率为,由（5-4）、（5-5）式可看出，系统可采集的最高信号频率受AD转换器的位数和转换时间的限制。,5.4 系统采集速率与采样保持器的关系,【例5.1】已知AD转换器的型号为ADC0804， 其转换时间tCONV=100s（时钟频率为 640kHz），位数n = 8，允许信号变化,为,，计算系统可采集的最高信,号频率。,解：,由式（5-5）知,5.4 系统采集
12、速率与采样保持器的关系,如果在AD转换器的前面加一个采样保持器，这样就变成在t = tAP内讨论系统可采集模拟信号的最高频率。,仍考虑对正弦信号采样，则系统可采集的信号最高频率为,5.4 系统采集速率与采样保持器的关系,结论：,因为tAP一般远远小于AD转换器的转换时间tCONV，所以，有采样保持器的系统可采集的信号最高频率要大于未加采样保持器的系统。,5.4 系统采集速率与采样保持器的关系,【例5.2】用采样保持器芯片AD582和AD转 换器芯片ADC0804组成一个采集系统。 已知AD582的孔径时间 tAP =50ns， ADC0804的转换时间 tCONV =100s （时钟频率为64
13、0kHz），计算系统可 采集的最高信号频率。,解：,由式（5-7）知,5.4 系统采集速率与采样保持器的关系,应该指出的是：,根据采样定理，采集一个有限带宽的模拟信号，采样频率至少应两倍于最高信号频率。,这意味着带采样保持器的数据采集系统处理的最高输入信号频率应为,第5章 采样保持器,5.5 采样保持器集成芯片,常用的集成采样保持器有多种，因时间的关系，下面只介绍其中的两种。,1. AD582,AD582是通用型采样保持器。,其管脚及结构示意如图5.9所示。,5.5 采样保持器集成芯片,组成,高性能运放,低漏电阻的模拟开关,结型场效应管集成的放大器,5.5 采样保持器集成芯片,AD 582的特
14、性如下：,有较短的信号捕捉时间，最短达6s。,有较高的采样保持电流比，可达107。,输入信号电平可为电源电压US 。,具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力。,具有差动的逻辑输入端。,AD582可与任何独立的运算放大器连接。,5.5 采样保持器集成芯片,由图5.10可知，AD582是反馈型采样保持器，保持电容接在运放的输出端（脚8）与输入端（脚6）之间。,根据“密勒效应”，这样的接法相当于,在A2的输入端接有电容,5.5 采样保持器集成芯片,所以AD582外接较小的电容可获得较高的采样速率：,当精度要求不太高（0.1%）而速度要求较高时，可选CH = 100pF，这时的捕捉时间tA
15、C6s。,当精度要求较高（0.01%）时，为减小馈送的影响和减缓保持电压的下降，应取CH = 1000pF 。,5.5 采样保持器集成芯片,图5.10是增益为1，输出不反相的连接线路。,图5.11是输出不反相电路，电路增益可由外接电阻来选择，增益,2. LF198,LF198也是反馈型采样保持器，请大家自习。,第5章 采样保持器,5.6 采样保持器使用中应注意的问题,1. 采样保持器选用时应注意的问题,捕捉时间、转换时间与采样周期的关系,在带有采样保持器的数据采集系统中，,每次数据采集过程,采样,AD转换,5.6 采样保持器使用中应注意的问题,采样保持器和AD转换器各完成一次动作所需时间之和应
16、小于采样周期TS。即,选用采样保持器应注意的问题, tAC与规定误差范围有关。因此， tAC的 大小应与AD转换器的精度配合：,5.6 采样保持器使用中应注意的问题,8位AD转换器的精度等于,与之相配的采样保持器的误差带可取为 0.2%(0.1%),AD582在CH=100pF时，tAC =6s。,12位的AD转换器，精度等于 2-12100% = 0.024% 则应取采样保持器的误差带为 0.01%(0.005%)。,在CH = 1000pF时， tAC = 25s。,5.6 采样保持器使用中应注意的问题, 保持电压下降率对AD转换器输入端 的电压稳定度的影响。,为了保证数据采集精度，应使保
17、持电压下降率为,5.6 采样保持器使用中应注意的问题,当根据LSB定出,后，可按式,（5-3）校核CH的值。, 孔径时间与精度、信号的最大变化率的关系,设输入信号的最大变化率为,，允,许的孔径误差,，则孔径时间应满足下式：,5.6 采样保持器使用中应注意的问题,或,5.6 采样保持器使用中应注意的问题,2. 电路设计中应注意的问题,接地,原因：,采样保持器是一种由模拟电路与数字电路混合而成的集成电路，一般有分离的模拟地和数字地引脚。,目的：,避免数字电路的突变电流对模拟电路的影响。,5.6 采样保持器使用中应注意的问题,方法：,将模拟地与数字地分别用引线接到模拟电源和数字电源的参考点上。,漏电
18、耦合的影响,如图5.13所示。,当进入保持模式时，逻辑输入信号会通过印刷电路板布线间的漏电流耦合到模拟输入端而引起保持误差。,LF198,模拟输入,3,U+,1,U-,4,5,输出,6,7,8,逻辑信号输入,0V,5V,图5.13 LF198采样/保持逻辑,5.6 采样保持器使用中应注意的问题,解决方法：,印刷电路板布线时，应使逻辑输入端的走线尽可能远离与模拟输入端。,将模拟信号输入端用地线包围起来，以隔断漏电流的通路。,降低逻辑输入信号的幅值，如5V2.5V。,5.6 采样保持器使用中应注意的问题,寄生电容的影响,现象：,在逻辑信号输入端与保持电容器之间存在寄生电容，当逻辑信号输入端加一跳变
19、的控制信号时，由于寄生电容的耦合作用，也将引起采样保持器的输出误差。,LF198,模拟输入,3,U+,1,U-,4,5,输出,6,7,8,逻辑信号输入,0V,5V,图5.13 LF198采样/保持逻辑,5.6 采样保持器使用中应注意的问题,例如：LF198，若保持电容是0.01F，设 寄生电容为1pF，当逻辑信号输入 端加一个5V的跳变信号，使采样 保持器从跟踪模式保持模式时， 由于寄生电容的影响，相当于在模 拟输入端增加了1mV的输入信号， 从而引起输出误差。,5.6 采样保持器使用中应注意的问题,解决方法：,在印刷板上做一与采样保持器输出端相连接的短路环，把保持电容的非接地脚包围起来，以减少寄生电容的影响。,5.6 采样保持器使用中应注意的问题,
