采样保持器

1SDUT数据采集与处理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2SDUT数据采集与处理5.1概述第5章采样／保持器问题：模拟信号进行A／D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A／D转换时保持住输入信号电平，在A／D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。3SDUT数据采集与处理第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UiK驱动信号ACH模拟地UO图5.1采样／保持器的一般结构形式4SDUT数据采集与处理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A5SDUT数据采集与处理在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A／D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At采样输出跟踪t1A2t2A1t3保持A3t4A图5.2采样／保持器工作原理而在t2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，......。6SDUT数据采集与处理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。7SDUT数据采集与处理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。8SDUT数据采集与处理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。9SDUT数据采集与处理第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。10SDUT数据采集与处理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-+A1KUK-+A2CH模拟地UO图5.3串联型采样／保持器的结构11SDUT数据采集与处理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。12SDUT数据采集与处理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-+A1-+eOS1-+A2CH模拟地-+eOS2K1UKUCUORK2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)15(OS2OS1iCeeUU≈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。此时，CH的端电压保持在K1断开瞬间的Ui值上，使)25(OS1iOS2CoeUeUU≈13SDUT数据采集与处理5.3采样／保持器的类型和主要性能参数优点：①采样/保持精度高，原因是只有eOS1影响精度。②跟踪速度快缺点：结构复杂。14SDUT数据采集与处理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tAP15SDUT数据采集与处理捕捉时间孔径不定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。tU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△tAPtACtST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A／D转换。16SDUT数据采集与处理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。17SDUT数据采集与处理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。18SDUT数据采集与处理捕捉时间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。19SDUT数据采集与处理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：)35()pF()pA()s/V(HCITU式中I——保持电容CH的漏电流。20SDUT数据采集与处理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。21SDUT数据采集与处理5.3采样／保持器的类型和主要性能参数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-+A2CHUOCSK22SDUT数据采集与处理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。23SDUT数据采集与处理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。24SDUT数据采集与处理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保持电容器的质量。因此，应该选择优质电容器。25SDUT数据采集与处理第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A／D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。26SDUT数据采集与处理Ui=Um2sinωt5.4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，tUm2△t△UU图5.8正弦信号的最大变化率27SDUT数据采集与处理5.4系统采集速率与采样／保持器的关系ddimUtUtmaxcos12在过零处由于在正弦信号过零时，ωt=±nπ，|cos(±nπ)|=1，所以ddimmUtUfUmax12则28SDUT数据采集与处理5.4系统采集速率与采样／保持器的关系而在A／D转换时间tCONV内，输入的正弦信号电压最大变化率可能为UtUtiCONViddmax由此可得出UUftimCONV29SDUT数据采集与处理5.4系统采集速率与采样／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)45()Hz(21CONVmaxtfn30SDUT数据采集与处理5.4系统采集速率与采样／保持器的关系如果允许正弦信号电压变化为LSB21，则系统可采集的最高信号频率为5)-(5)Hz(21CONV1maxtfn由（5-4）、（5-5）式可看出，系统可采集的最高信号频率受A／D转换器的位数和转换时间的限制。31SDUT数据采集与处理5.4系统采集速率与采样／保持器的关系【例5.1】已知A／D转换器的型号为ADC0804，其转换时间tCONV=100s（时钟频率为640kHz），位数n=8，允许信号变化为LSB21，计算系统可采集的最高信号频率。解：由式（5-5）知32SDUT数据采集与处理5.4系统采集速率与采样／保持器的关系)Hz(22.61010014.32121618CONV1maxtfn如果在A／D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33SDUT数据采集与处理5.4系统采集速率与采样／保持器的关系ULSB1)65()Hz(21APmaxtfnULSB12)75()Hz(21AP1maxtfn结论：因为tAP一般远远小于A／D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。34SDUT数据采集与处理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A／D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=100s（时钟频率为640kHz），计算系统可采集的最高信号频率。解：由式（5-7）知)kH(44.12)Hz(3.12440105014.32121918AP1maxztfn35SDUT数据采集与处理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)85()(21APCONVACmaxtttf36SDUT数据采集与处理第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.AD582AD582是通用型采样／保持器。其管脚及结构示意如图5.9所示。37SDUT数据采集与处理5.5采样／保持器集成芯片1234567891011121314+INNULLOUTPUT-INCHNCNCNCNC+SU-SUL+L-图5.9AD582管脚及结构示意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38SDUT数据采集与处理5.5采样／保持器集成芯片AD582的特性如下：有较短的信号捕捉时间，最短达6s。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。39SDUT数据采集与处理5.5采样／保持器集成芯片数字地1345689101112CHRLUiA1oU2A+-=2k+15V-15V0.05μF10k模拟地ΩΩ图5.10AD582实用电路（一）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CCHHA()1240SDUT数据采集与处理5.