第5章-3采樣保持器原理與應(yīng)用

5.1概述5.2采樣/保持器的工作原理5.3類型和主要性能參數(shù)第5章補(bǔ)充采樣／保持器5.4采集速率與采樣/保持器的關(guān)系5.5測量放大器的使用5.5測量放大器的使用5.1概述第5章采樣／保持器問題：模擬信號進(jìn)行

A／D轉(zhuǎn)換時，從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間，當(dāng)輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。解決方法：采用一種器件，在A／D轉(zhuǎn)換時保持住輸入信號電平，在A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后跟蹤輸入信號的變化。這種功能的器件就是采樣／保持器。第5章采樣／保持器

完整的模擬信號數(shù)字化鏈路0101101…模擬信號采樣保持量化數(shù)碼流第5章采樣／保持器5.2采樣／保持器的工作原理采樣／保持器的一般結(jié)構(gòu)形式如圖5.1所示。模擬信號UiK驅(qū)動信號ACH模擬地UO圖5.1采樣／保持器的一般結(jié)構(gòu)形式5.2

采樣／保持器的工作原理組成模擬開關(guān)K電容CH緩沖放大器A在t1時刻前，控制電路的驅(qū)動信號為高電平時，模擬開關(guān)K

閉合，模擬輸入信號Ui

通過模擬開關(guān)加到電容CH上，使得CH端電壓UC

跟隨Ui變化而變化。在t1時刻，驅(qū)動信號為低電平，模擬開關(guān)K斷開，此時電容CH

上的電壓UC

保持模擬開關(guān)斷開瞬間的Ui

值不變并等待A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。5.2

采樣／保持器的工作原理工作原理如下：t控制信號t模擬輸入At采樣輸出跟蹤t1A2t2A1t3保持A3t4A圖5.2采樣／保持器工作原理而在t2時刻，保持結(jié)束，新一個跟蹤時刻到來，此時驅(qū)動信號又為高電平，模擬開關(guān)K

重新閉合，

CH

端電壓UC又跟隨Ui變化而變化；t3時刻，驅(qū)動信號為低電平時，模擬開關(guān)K斷開，......。5.2

采樣／保持器的工作原理從以上討論可知：

采樣／保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件。

5.2

采樣／保持器的工作原理它具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：跟蹤狀態(tài)

在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號，并精確地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直到接到保持指令為止。保持狀態(tài)

對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進(jìn)行保持。5.2

采樣／保持器的工作原理采樣／保持器主要起以下兩種作用：“穩(wěn)定”快速變化的輸入信號，以減少轉(zhuǎn)換誤差。用來儲存模擬多路開關(guān)輸出的模擬信號，以便模擬多路開關(guān)切換下一個模擬信號。第5章采樣／保持器5.3采樣／保持器的類型和主要性能參數(shù)

1.采樣／保持器的類型

串聯(lián)型采樣／保持器的結(jié)構(gòu)如圖5.3。5.3

采樣／保持器的類型和主要性能參數(shù)

A1和A2分別是輸入和輸出緩沖放大器，用以提高采樣／保持器的輸入阻抗，減小輸出阻抗，以便與信號源和負(fù)載連接。

K是模擬開關(guān)，由控制信號電壓UK控制其斷開或閉合。CH是保持電容器。Ui

-+A1KUK

-+A2CH模擬地UO圖5.3串聯(lián)型采樣／保持器的結(jié)構(gòu)5.3

采樣／保持器的類型和主要性能參數(shù)

孔徑時間tAP——保持指令給出瞬間到模擬開關(guān)有效切斷所經(jīng)歷的時間。如圖5.5所示。2.采樣／保持器的主要性能參數(shù)孔徑時間tAP(ApertureTime)捕捉時間孔徑不定5.3

采樣／保持器的類型和主要性能參數(shù)

由圖5.5可知，在tAP后的輸出還有一段波動，經(jīng)過一定時間tST后才保持穩(wěn)定。tU孔徑誤差實際輸出希望的輸出模擬信號保持跟蹤保持指令發(fā)出時刻tAP△tAPtACtST保持圖5.5采樣／保持全過程

為了量化的準(zhǔn)確，應(yīng)在發(fā)出保持指令后延遲一段時間，再啟動A／D轉(zhuǎn)換。5.3

采樣／保持器的類型和主要性能參數(shù)

由于孔徑時間的存在，而產(chǎn)生孔徑誤差—

采樣／保持器實際保持的輸出值與希望輸出值之差?？讖讲欢ā鱰AP

孔徑不定△tAP—孔徑時間的變化范圍?？讖綍r間使采樣時刻延遲。5.3

采樣／保持器的類型和主要性能參數(shù)

如果延遲時間不變，則對總的采樣結(jié)果的精確性不會有太大影響。

但若孔徑時間在變化，則對精度就會有影響。捕捉時間tAC

捕捉時間—

指當(dāng)采樣／保持器從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到跟蹤狀態(tài)時，采樣／保持器的輸出從保持狀態(tài)的值變到當(dāng)前的輸入值所需的時間。5.3

采樣／保持器的類型和主要性能參數(shù)

捕捉時間不影響采樣精度，但對采樣頻率的提高有影響。5.3

采樣／保持器的類型和主要性能參數(shù)

保持電壓的下降

當(dāng)采樣／保持器處在保持狀態(tài)時，由于漏電流使保持電壓值下降，下降值隨保持時間增大而增加，常用保持電壓的下降率來表示：式中

I——保持電容CH的漏電流。5.3

采樣／保持器的類型和主要性能參數(shù)

跟蹤到保持的偏差

跟蹤到保持的偏差—

跟蹤最終值與建立保持狀態(tài)時的保持值之間的偏差電壓。

該誤差與輸入信號有關(guān)，是一個不可預(yù)估的誤差。5.3

采樣／保持器的類型和主要性能參數(shù)

由以上討論可以看出，采樣／保持器的性能在很大程度上取決于保持電容器的質(zhì)量。因此，應(yīng)該選擇優(yōu)質(zhì)電容器。第5章采樣／保持器5.4系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關(guān)系

首先討論不用采樣／保持器，而直接用A／D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換的情況。設(shè)模擬信號如圖5.8所示。5.4系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關(guān)系0101…ADC0804DAC0832在沒有保持器的情況下，若欲輸出信號無損，輸入信號頻率界限幾何？Ui=Um2sinωt5.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關(guān)系

對正弦信號采樣，在△t內(nèi)，模擬信號電壓的最大變化率發(fā)生在正弦信號過零時，tUm2△t△UU圖5.8正弦信號的最大變化率5.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關(guān)系

由于在正弦信號過零時，ωt=±nπ，|cos(±nπ)|=1，所以則5.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關(guān)系

而在A／D轉(zhuǎn)換時間tCONV內(nèi)，輸入的正弦信號電壓最大變化率可能為由此可得出5.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關(guān)系

如果在轉(zhuǎn)換時間tCONV內(nèi)，正弦信號電壓的最大變化不超過1LSB所代表的電壓，則在Um

=FSR(滿量程范圍)條件下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集的最高信號頻率為5.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關(guān)系如果允許正弦信號電壓變化為，則系統(tǒng)可采集的最高信號頻率為

由（5-4）、（5-5）式可看出，系統(tǒng)可采集的最高信號頻率受A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和轉(zhuǎn)換時間的限制。5.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關(guān)系【例5.1】已知A／D轉(zhuǎn)換器的型號為ADC0804，

其轉(zhuǎn)換時間tCONV=100s（時鐘頻率為

640kHz），位數(shù)n=8，允許信號變化為，計算系統(tǒng)可采集的最高信號頻率。解：由式（5-5）知5.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關(guān)系5.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關(guān)系如果在AD前面加上采樣保持器：

根據(jù)采樣定理，采集一個有限帶寬的模擬信號，采樣頻率至少應(yīng)兩倍于最高信號頻率。

這意味著帶采樣／保持器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理的最高輸入信號頻率應(yīng)為

通常帶有采樣－保持的A/D器件的工作速度用SPS（SamplePerSecond）來描述。5.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關(guān)系

同樣是例5.1的ADC0804，轉(zhuǎn)換時間00us,如果在前面加入采樣-保持器，保持器的跟蹤時間6us,孔徑時間200ns，則理論上可以采集的信號的最高頻率為多少？第5章采樣／保持器5.5采樣／保持器集成芯片

常用的集成采樣／保持器有多種，因時間的關(guān)系，下面只介紹其中的兩種。1.AD582AD582是通用型采樣／保持器。其管腳及結(jié)構(gòu)示意如圖5.9所示。5.5

采樣／保持器集成芯片組成高性能運(yùn)放低漏電阻的模擬開關(guān)結(jié)型場效應(yīng)管集成的放大器5.5

采樣／保持器集成芯片AD582的特性如下：有較短的信號捕捉時間，最短達(dá)6s。有較高的采樣／保持電流比，可達(dá)107。輸入信號電平可為電源電壓±US

。具有相互隔開的模擬地、數(shù)字地，從而提高了抗干擾能力。具有差動的邏輯輸入端。AD582可與任何獨(dú)立的運(yùn)算放大器連接。5.5

采樣／保持器集成芯片

由圖5.10可知，AD582是反饋型采樣／保持器，保持電容接在運(yùn)放的輸出端（腳8）與輸入端（腳6）之間。

根據(jù)“密勒效應(yīng)”，這樣的接法相當(dāng)于在A2的輸入端接有電容

5.5

采樣／保持器集成芯片

所以AD582外接較小的電容可