传感器原理与应用教学课件PPT模拟信号处理技术.ppt

3.1 模拟多路开关 3.2 测量放大器 3.3 程控增益放大器 3.4 采样/保持器 3.5 有源滤波器,主要内容,主要内容： 1、多路模拟开关意义； 2、分类； 3、集成多路模拟开关使用； 4、选用模拟开关的方法；,3.1 多路模拟开关,重点内容： 1、意义； 2、使用； 3、选用；,一、意义 数据采集系统往往需要多个传感器对多路信号采集。如果每一个传感器对应使用一个模数转换器(adc)，系统成本大大增加。通常的办法是使几个传感器多路复用一个公共的adc。,3.1 多路模拟开关,二、分类 常用有两类：机电式（继电器）；电子式（半导体开关） 继电器：大电流、高电压、低速切换场所；半导体开关：小电流、低电压、高速切换场合； 继电器开关多为电压开关；半导体开关可以是电压开关也可是电流开关。,干簧继电器由开或关的弹性簧片及磁铁或电磁铁组成。它体积小、切换速度快、噪声小、寿命长、最适合模拟量输入通道中使用。它的工作频率一般可达1040次秒，断开电阻大于1m，导通电阻小于50毫欧，使用寿命可达1亿次。吸合和释放时间约1ms，不受环境的温度影响，而且输入电压，电流容量大，动态范围宽。其缺点是体积大(与电子开关相比)，工作频率低，在通断时存在抖动现象，因此一般用于低速高精度检测系统中。,1、继电器：,3.1 多路模拟开关,与电磁式开关相比，模拟电子开关具有切换速度高、无抖动、易于集成的优点，但是导通电阻一般较大，输入电压、电流容量较小，动态范围很有限。常用的模拟电子开关有4种。 包括：晶体管、场效应管、光电耦合管、集成电路开关。,3.1 多路模拟开关,2、电子开关：,1）晶体管开关,优点：开关速度快。 缺点： 漏电流大，开路电阻小，导通电阻大。 电流控制器件，功耗大，集成度低，一个方向传送信号。,3.1 多路模拟开关,3）mos管开关,2）结型场效应管开关,4）光电耦合开关,将发光二极管与光敏晶体管或光敏电阻封在一起即可构成光电耦合开关。,3.1 多路模拟开关,光电耦合开关采用光电转换方式控制开关，故速度和工作频率属中等，但其控制端与信号通道的隔离较好，耐压高。,特点：利用晶体管的导通和截止来实现开关的通和断，因此也存在残留失调电压和单向导电情况； 这类开关多用于要求隔离情况良好但传输精度不高的场合，也常用于输出通道中需通道隔离的场合。,5) 集成电路开关（ad7501）,结构： 集成电路开关是将多路开关、计数器、译码器制造在一个芯片上。 工作原理： 设选择第1路输入信号， 则计算机输出一个4位二进制码，把计数器置成0000状态，经4-16线译码器后，第1根线输出高电平，场效应管t1导通， uo= ui1 ，选中第1路信号。,3.1 多路模拟开关,三、常用芯片,常用的多路模拟开关集成芯片有ad公司的ad7501和ad7503，rca公司的cd4051，以及mota公司的mc14051等。,1.ad7501 ad7501内部结构与引脚功能见图。 它采用16脚双列直插式封装，脚14和脚15分别接15v电源，脚2(gnd)接地。,3.1 多路模拟开关,1.ad7501,特点：具有8个输入通道(sls8)、一个输出通道(out)的多路cmos开关。由三个地址线(a0，a1，a2)及使能端en的状态来选择8个输入通道之一与输出端导通。片上所有逻辑输入与ttl/dtl及cmos电路兼容。,3.1 多路模拟开关,1.ad7501,3.1 多路模拟开关,ad7501的主要性能参数如下：,1）cmos工艺制造；,2）能直接与ttl/cmos接；,3) 单路8选1模拟多路转换器；,4) 具有双向传输的能力；,5)标准16脚dip封装；,6)电源 ；,7) 功耗 ；,8)开关导通电阻：,9）开关接通时间：,10）开关断开时间：,2.cd4051,cd4051采用16脚双列直插式封装。cd4051为8通道单刀结构形式，它允许双向使用（多到一或一到多的输出切换）。内含二进制译码器，可以由三根地址线a，b，c及控制线 的状态来选择8路中的一路， (低电平)，芯片使能。,3.1 多路模拟开关,2.cd4051,3.1 多路模拟开关,2.cd4051,特点：cd4051有很宽的数字和模拟信号电平，数字信号为315v，模拟信号峰峰值为15v。 当 ，输入范围为15v时，其导通电阻为 ； 当 时，其断开时的漏电流为 ，静态功耗为 。,3.1 多路模拟开关,四、多路模拟开关的选用,要考虑下列问题： 1）泄漏电流：通过断开的模拟开关的电流，用is表示。 2）通道数量：通道数量对传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响。因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大，通道间的干扰也越多。,3.1 多路模拟开关,3）切换速度：对于需传输高速信号的场合，要求多路开关的切换速度高，当然也要考虑后一段采样保持和a/d的速度，从而以最优的性能价格比来选取多路开关的切换速度。 4）开关电阻：理想状态的多路开关导通电阻为零，而断开电阻为无穷大，但实际的模拟开关无法到这个要求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。 另外，多路开关参数的漂移性及每路电阻的一致性也需作考虑。,多路模拟开关的主要技术指标,ron：导通电阻； ronvs：导通电阻温度漂移； ic：开关接通电流； is：开关断开时的泄漏电流； cs：开关断开时的开关对地电容； cout：开关断开时，输出端对地电容； ton：选通信号达到50这一点时到开关接通时的延迟时间； toff：选通信号达到50这一点时到开关断开时的延迟时间； topen：开关切换时间，即当两个通道均为断开时，开关从一个通道的接通状态转到另一个通道的接通状态并达到稳定所用的时间。,3.1 多路模拟开关,1、用途；2、放大原理；3、选用原则；4、举例；,主要内容,3.2 测量放大器,重点内容,1、放大原理；2、选用原则；3、举例；,在数据采集系统中，被检测的物理量经过传感器变换成的模拟电信号，往往是很微弱的信号(例如热电偶的输出信号微伏级)，需要用放大器加以放大。 市场可以采购到的各种放大器分为两类(如通用运算放大器、专用放大器等)。 通用运算放大器一般都具有毫伏级的输入失调电压和每度数微伏的温漂，因此，通用运算放大器不能直接用于放大微弱信号。 测量放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，使其在检测微弱信号的系统中被广泛用作前置放大器。,一、测量放大器的用途,3.2 测量放大器,1、两种基本运算放大电路,1）反相放大器增益：avfv0/virf/r （vi/r=-vo/rf） 这是一种近似比例运算，反相放大器的输入电阻r和输出电阻rf 都较小。这在与传感器具体配合使用时，是个值得注意的问题。 2）同相放大器增益为：avfv0/vi1rf/r （ vi/r=（vo-vi）/rf ） 同相放大器的放大倍数大于1，至少等于1。同相放大器的输入电阻较大和输出电阻rf都较小。,3.2 测量放大器,二、测量放大器原理,电压跟随器为同相放大的特例，在低频时其放大倍数接近1，具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此常在信号处理中用作阻抗变换器。,二、测量放大器原理,3.2 测量放大器,2、电压跟随器,其增益为：,3.两级放大原理,3.2 测量放大器,二、测量放大器原理,说明：,1、同相输入保证了高输入电阻； 2、只要a1，a2结构对称，高共模抑制比； 漂移将大大减少； 3、低输出阻抗rf； 4、高增益，对微小的差模电压很敏感； 适用于测量远距离传输过来的信号，因而十分适合与传感器配合使用。,3.2 测量放大器,二、测量放大器原理,1、高输入阻抗型：主要用于测量放大器、模拟调节器、有源滤波器电路。输入阻抗一般在1012欧姆左右。例如：ca3130、 ca3140高输入阻抗运算放大器。 2、低偏移型：主要用于精密测量，精密模拟技术、自控仪表、人体信息检测等方面。它们的温漂0.20.6v/，失调电压aud120db，共模抑制比kcmr110db。例如：op07-dp 精密运算放大器 3、高速型：它们主要用于d/a转换和a/d转换、有源滤波器、锁相环、高速采集保持电路及视频放大器等要求输出对输入响应迅速的地方。例如：lm318 高速运算放大器 4、低功耗型：低功耗型一般用于遥感、遥测、生物医学和空间技术研究等要求能源消耗有限制的场所。例如： lm224j 低功耗四运算放大器(工业档) 5、高压型：一般用于获取较高的输出电压的场合，如典型的3583型，电源电压达150v，uomax=140v。 6、大功率型：用于输出功率要求大的场合，如lm12，输出电流达10a。例如：lm3886 音频大功率放大器,3.2 测量放大器,三、测量放大器选用,主要技术指标,（1）非线性度 非线性度是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。 （精度） 非线性偏差随增益的增加而增加。 例如：如果一个12位ad转换器，当增益为1时，有0.025的非线性偏差；当增益为500时，非线性偏差可达到0.1。 12位ad转换器相当于10位以下转换器（解释：10位转换器的量化误差（1/210=1/1024），故在选择测量放大器时，为保证测量精度，可选择高分辨率的测量放大器。,3.2 测量放大器,三、测量放大器选用,主要技术指标,（2）温度漂移：指测量放大器输出电压随温度变化而变化的程度。 这也与测量放大器的增益有关。 例如，一个温漂 的测量放大器，当其增益为1000时，测量放大器的输出电压产生约20mv的变化。这个数字相当于12位ad转换器在满量程为10v的8个lsb值。所以在选择测量放大器时，要根据所选ad转换器的绝对精度尽量选择温漂小的测量放大器。,3.2 测量放大器,三、测量放大器选用,（5）电源引起的失调 电源引起的失调是指电源电压每变化1，引起放大器的漂移电压值。测量放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。,主要技术指标,（3）建立时间 建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。,3.2 测量放大器,三、测量放大器选用,测量放大器的建立时间随其增益的增加而上升。当增益200时，为达到误差范围 ，往往要求建立时间 ，有时甚至要求高达 的 建立时间。可在更宽增益区间采用程序编程的放大器，以满足精度的要求。,主要技术指标,（4）恢复时间 恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器内饱和状态恢复到最终值所需的时间。 显然，放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。,3.2 测量放大器,三、测量放大器选用,主要技术指标,（6）共模抑制比 放大器的差模增益为avd，共模增益为avc，则共模抑制比可用下式计算：,kcmr越大越好。例如ad521k的kcmr在增益为1000时达20db。 kcmr也是放大器增益的函数，它随增益的增加而增大。,3.2 测量放大器,三、测量放大器选用,1、集成测量放大器ad620及其应用,ad521采用8脚双列直插式封装，其引脚如图。 1、rg引脚offset(1，8)用于外接电阻，调整放大器增益。 2、引脚（2，3）接输入信号。 3、引脚（2，3）接双电源，范围（+/-5-+/-15 ）。 4、引脚6输出端，范围（u+/-1.0 ）。 5、引脚5公共端，即接地端。 6、温度范围-45c+85c.,3.2 测量放大器,四、典型的放大器芯片,性能描述： the ad620 is a low cost, high accuracy instrumentation amplifier that requires only one external resistor（电阻） to set gains of 1 to 1000. furthermore, the ad620 features 8-lead 引脚封装 that is smaller than discrete designs, and offers lower power (only 1.3 ma max supply current), making it a good fit for battery powered, portable (or remote) applications. the ad620, with its high accuracy of 40 ppm maximum nonlinearity, low offset （补偿）voltage of 50 mv max and offset drift of 0.6 mv/c max, is ideal for use in precision data acquisition systems, such as weigh scales and transducer interfaces. furthermore,the low noise, low input bias current, and low power of the ad620 make it well suited for medical applications noninvasive（非入侵性的） blood pressure monitors.,3.2 测量放大器,1）集成测量放大器ad620温漂调整,3.2 测量放大器,2）集成测量放大器ad620实际电路,2、集成测量放大器ad521及其应用,ad521采用14脚双列直插式封装，其引脚功能如图。 1）温度补偿引脚offset(4，6)用于调整放大器零点，调整线路是芯片4、6端接到10k电位器的两固定端，电位器滑动端接负电源u- (脚5)。 2）输入引脚（1，3）。 3）引脚11输出端的地，即测量输出（7，11）。,3.2 测量放大器,四、典型的放大器芯片,5）引脚rs(10，13)用于外接电阻rs，该电阻用于对放大倍数进行微调。,4）引脚（2，14）用于外接调整放大倍数的电阻。测量放大器的放大倍数 ， 其数值可在11000内调整。,3.2 测量放大器,四、典型的放大器芯片,2、集成测量放大器ad521及其应用,ad521与热电偶信号的连接方式如图。 在使用ad521(或任何其它测量放大器)时，要特别注意为偏置电流提供回路。 如果没有回路，偏置电流就会对杂散电容充电，使输出电压漂移得不可控制。因此，当用测量放大器处理来自热电偶、变压器或交流耦合源的输入信号时，必须使输入端对地有一条通路。为此，ad52l输入端(1或3)要直接或通过电阻与电源的地线构成回路。,3.2 测量放大器,2、集成测量放大器ad521及其应用,二、测量放大器,3.1 测量放大器,3.集成测量放大器ad521ad522及其应用,二、测量放大器,3.2 测量放大器,3.集成测量放大器ad521ad522及其应用,主要内容： 1、电路的用途； 2、工作原理； 3、应用举例；,3.3 程控增益放大器,一、电路的意义 放大器的失调电压、温漂、非线性度等误差都与放大倍数有关。 当被测参量变化范围较大时，如果单纯采用一个放大倍数的放大器，会出现大信号经放大后，超出测量量程；小信号经放大后，测量精度低的问题。 因此希望，进行小信号转换时，有较大的增益；而大信号，较小增益。系统可以更加信号大小，自动调节放大倍数。 为了解决这个问题，工程上采用通过改变放大器放大倍数（增益）的方法，来实现不同幅度信号的放大。,3.3 程控增益放大器,二、原理： 图为利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关k1闭合，而其余两个开关断开，其放大倍数为 同理，k2闭合，其余两个开关断开时的放大倍数为 。 选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换，如果利用软件对开关闭合情况进行选择，即可实现程控增益放大。,3.3 程控增益放大器,cd4051 （单刀8掷开关，abc的值决定哪路开关连接） 当计算机送出不同的abc信号组合时，vi信号将从y0y7的某一端口输出，而每一输出端口配置的反馈电阻不相同，从而实现了可变增益放大。,3.3 程控增益放大器,3.3 程控增益放大器,输入级失调电压,输入端1,公共端（模拟地）,输入端2,10倍增益,100倍增益,1000倍增益,1000倍设定,100倍设定,10倍设定,6和7直接连，1倍增益设定,输出端,2，6和7连，10倍增益设定,in102集成仪表放大器,一、模拟信号的采样意义,数据采集系统的目的是利用计算机的数据处理能力来处理数据。计算机是一种纯数字设备，而被采集的各种物理量一般都是连续模拟信号。因此，在研究开发数据采集系统时，首先遇到的问题是：传感器所测量到的连续模拟信号怎样转换成离散的数字信号？,3.4 采样/保持器,连续的模拟信号转换成离散的数字信号，需要经历两个过程：（1）时间离散；（2）数值离散 。,二、模拟信号的采样过程,3.4 采样/保持器,xs(nts ) ,0, ts, 2ts , ,ts ,采样信号;,采样时刻,采样时间；,采样周期。,3.4 采样/保持器,二、模拟信号的采样过程,1、采样定理 低通型信号采样定理：对一个低通型信号 ，假设其频谱为 ，如果以 的间隔对其进行等间隔采样得到采样信号 ，则该低通信号可以由采样信号无失真的恢复。即,3.4 采样/保持器,三、采样周期选择,1、采样定理 带通型信号采样定理：对一个带通型信号 ，假设其频谱为 ，如果以 的间隔对其进行等间隔采样得到采样信号 ，则该低通信号可以由采样信号无失真的恢复。其中,3.4 采样/保持器,三、采样周期选择,注意：（1）采样定理不适用的情况：一般来说，低通采样定理在fs=2fc时是不适用的。,3.4 采样/保持器,三、采样周期选择,多种频率混叠时： （2）频率混淆及其克服：低通采样定理严格地规定了采样时间间隔的上限，如果ts取的过大，将会发生中的高频成分被叠加到低频成分上去的现象，这种现象称为频率混淆。 例如：如某连续信号中含有频率为900hz，400hz及100hz的成分，若以fs=500hz进行采样，高频信号(900hz及400hz)的采样值，构成了个虚假的低频成分折叠到原低频(100hz)波形的采样值上，从而使原低频波形的采样值发生失真。,3.4 采样/保持器,2.关于采样定理的讨论 （2）频率混淆及其克服：为减小频率混淆，可采用两种方法： 对高频信号无法忽略的信号。可用提高采样频率的方法来解决。但是，ts也不能过小。ts过小，不仅增加计算机内存占用量和计算量，还会使频域的频率分辨率下降过多。 对高频信号可以忽略频域衰减较慢的信号，在采样前，用一截止频率为w的消除频混滤波器，先将信号低通滤波，然后再进行采样和数据处理。这种方法既实用又简单。消除频混滤波器是一个低通滤波器，应有良好的截止特性。比较理想的是多阶有源rc巴特沃斯(butterworth)滤波器。,3.4 采样/保持器,2.关于采样定理的讨论 （2）频率混淆及其克服：表是根据大量的实验总结出来的一些物理量的经验采样周期值，可供读者在实际应用中参考。,3.4 采样/保持器,一、模拟信号的采样,2.关于采样定理的讨论 （3）采样控制方式：模拟信号x(t)的采样控制方式有以下4种： 无条件采样：当采样一开始，模拟信号x(t)的第一个采样点的数据就被采集。然后，经过一个采样周期，再采集第二个采样点数据，直到将一段时间内的模拟信号的采样点数据全部采完为止。 优点：要求的硬件和软件最简单；适用于采集任何形式的模拟信号；易于实现信号波形的显示。 缺点：如果信号频率较高，对信号的采样时间间隔很短时，每个采样点数据的采集、量化、编码、存储在一个采样时间间隔内完成很困难。,3.4 采样/保持器,一、模拟信号的采样,2.关于采样定理的讨论 （3）采样控制方式：条件采样： 程序查询方式： cpu不断地询问adc的状态，了解是否转换结束。当需要采样时，cpu发出启动a/d转换的命令，等到a/d转换结束后，由第一输入通道将结果取入内存，然后cpu再向a/d转换器发出转换命令，等到a/d转换结束后，由第二通道将结果取入内存，直至所有通道采样完毕；如果a/d转换未结束，则cpu等待，并在等待中做定时查询，直到a/d转换结束为止。 优点：要求的硬件少，编程也简单。 缺点：程序查询常常浪费cpu的时间，使其利用率不高；需确知a/d转换所需的时间；系统实时性不高。,3.4 采样/保持器,一、模拟信号的采样,2.关于采样定理的讨论 （3）采样控制方式： 条件采样： 中断控制方式：采用中断方式时，cpu首先发出启动a/d转换的命令，然后继续执行主程序。当a/d转换结束时，则通道接口向cpu发出中断请求，请求cpu暂时停止工作，来读取转换结果。当cpu响应a/d转换器的请求时，便暂停正在执行的主程序，自动转移到读取转换结果的中断服务子程序中。在执行完读取转换结果的服务子程序后，cpu又回到原来被中断的主程序继续执行下去。 优点：cpu的效率高，很强的实时处理能力。 缺点：系统复杂，中断源过多时，cpu效率下降。,3.4 采样/保持器,一、模拟信号的采样,2.关于采样定理的讨论 （3）采样控制方式： 直接存储器存取(dma)方式： dma方式是一种由硬件完成数据传送操作的方式。在dma控制器控制下，数据直接在外部设备和存储器mem之间进行传送，而不通过cpu和io，因而可以大大提高数据的采集速率。,dma方式传送数据的速度最快，但其硬件花费较高。,3.4 采样/保持器,一、模拟信号的采样,2.关于采样定理的讨论 （3）采样控制方式：采样控制方式的分类归纳如下：,无条件采样：仅适于ad转换快，且要 求cpu与ad转换器同时工作。,条件采样,采样,查询采样：用于系统只采集几个模拟信号的场合。 中断控制采样：用于系统要同时采集数据和控制的场合。,dma方式采样：用于高速数据采集。,3.4 采样/保持器,一、模拟信号的采样,二、采样/保持器,问题：,模拟信号进行 ad 转换时，1）跟踪输入量的变化；2）从开始转换到转换结束输出数字量期间（转换时间），待转换值不变。 当输入信号频率较高时，采样保持器功能转换较慢，就会造成很大的转换误差。,定义：,采样保持器，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。,3.4 采样/保持器,1.采样保持器原理： 采样/保持器是指在输入逻辑电平控制下处于“采样”或“保持”两种工作状态的电路。 “采样”状态下电路的输出跟踪输入模拟信号，在“保持”状态下电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直至进入下一次采样状态为止。 通常，采样保持器的“保持”状态用作锁存某一时刻的模拟信号，以便进行数据处理(量化)或模拟控制。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,1.采样保持器原理： 组成：模拟开关、存储元件(保持电容)和缓冲放大器。 工作原理：1）驱动（控制）信号为采样电平时，k导通，模拟信号vi通过k向ch充电，输出vo跟踪输入模拟信号的变化； 2）驱动信号为保持电平时，k断开，输出电压vo保持在模拟开关断开瞬间的输入信号值。高输入阻抗的缓冲放大器a的作用是把ch和负载隔离。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,2. 采样保持器的性能参数,(1)孔径时间(tap )： 保持命令发出，到模拟开关完全断开所需要的时间，称孔径时间。 孔径时间决定a/d转换模拟值与理论采样值的时间差。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,(2)孔径时间不定性(tap )： 是指孔径时间的变化范围。 孔径时间使采样时刻延迟。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。但若孔径时间总在变化，则对精度就会有影响。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,2. 采样保持器的性能参数,(3)捕捉时间(tac)； 采样保持器从上一个保持的值到当前输入信号的保持值所需的时间。包括采样时间（跟踪时间）加上孔径时间。 捕捉时间影响采样频率的提高而对转换精度无影响。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,2. 采样保持器的性能参数,(4)保持电压的下降： 保持模式时，由于保持电容器的漏电，使保持电压值不是恒值，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：,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。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,2. 采样保持器的性能参数,(5)馈送： 模拟开关有等效电容cs。 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。 cs越大，馈送的程度越大。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,2. 采样保持器的性能参数,(6)采样到保持的偏差： 指采样最后值与建立的保持值之间的偏差电压。 该误差是不可估计的，它与输入信号有关。 (7)电荷转移偏差： 在保持状态时，电荷通过寄生电容转移到保持电容器上引起的。可通过加大保持电容器的容量克服，但后果将增加响应时间。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,2. 采样保持器的性能参数,3. 系统采集速率与采样保持器的关系,（1）不用采样保持器时,对正弦信号采样，最大变化率发生在正弦信号过零时，,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,思路： 整个转换时间内，采样值的变化都不超过最小量化单位。,由于在正弦信号过零时，t = n，|cos(n)| =1,（1）不用采样保持器时,在ad转换时间（tconv）内，输入的正弦信号电压最大变化量,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,3. 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，无需保持。此时，数据采集系统可采集的最高信号频率为,3. 系统采集速率与采样保持器的关系,（1）不用采样保持器时,结论：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。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,仍考虑对正弦信号采样，则系统可采集的信号最高频率为,3. 系统采集速率与采样保持器的关系,（2）用采样保持器时,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。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,【例】用采样保持器芯片ad582和8位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640khz），计算系统可采集的最高信号频率（误差0.5lsb）。,解：,3. 系统采集速率与采样保持器的关系,（2）用采样保持器时,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,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,3. 系统采集速率与采样保持器的关系,（2）用采样保持器时,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,4.采样保持器集成电路 （1）ad585： ad585采用dip14封装。 由高性能的运算放大器、低漏电流的模拟开关和集成放大器组成。片内有保持电容和匹配电阻，精度高而且使用方便。 输入信号：2；可调整温漂：3，5；9，10接法不同，得到1，-1，2增益,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,4.采样保持器集成电路 （1）ad585：ad585的主要性能参数如下： 采样时间：3us；抖动时间：0.5ns； 泄漏速率：1mv/ms；失调电压：3mv； 外部温度：-55+125c； 片内保持电容；片内匹配电阻； 电源：+-12v或+-15v。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,4.采样保持器集成电路 （1）ad585： ad585组成的增益为1的采样保持电路如图所示。 由于片内有保持电容，一般情况下不必外接电容，除非有特殊需要。要求较高时，可以外接10k欧的调零电位器。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,4.采样保持器集成电路 （2）lf398： lf398是一种反馈型采样保持放大器，是目前较为流行的通用型采样保持放大器。 它是由场效应管构成的，具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高的特点。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,- +,4.采样保持器集成电路 （2）lf398： lf398由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。 图中a1、a2是跟随器，主要作用是阻抗变换， 控制电路中a3作为比较器，控制模拟开关。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,4.采样保持器集成电路 （2）lf398的模拟开关控制：,脚8输入控制逻辑电平两种0v，5v；脚7参考端电压（2v）； 1)脚8电压大于脚7：a3输出一个低电平信号，k闭合，输入信号经a1后跟随输出到a2，同时向保持电容(6端)充电; 2）脚8电压小于脚7：a3输出一个正电平信号使开关断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,4.采样保持器集成电路 （2）lf398：lf398的主要性能参数如下： 反馈型采样保持放大器；可与ttl、pmos、cmos兼容；低输入漂移，保持状态下输入特性不变；片内无保持电容； 工作电压：518v ；采样时间：10us； 当保持电容为0.01uf时，典型保持步长为0.5mv； 增益误差：0.002；泄漏速率：3mv/ms（typ）； 失调电压：7mv；,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,二、采样/保持器,4.采样保持器集成电路 （2）lf398：lf398的典型应用电路如图。此时，逻辑控制电压从引脚8输入，当输入高电平时，lf398进行采样；当输入低电平时，lf398保持采样值不变。,3.4 采样/保持器,3.5 有源滤波器,对不同频率的信号具有选择性的电路称为滤波器，它只允许某些特定频率的信号通过，同时又衰减或抑制另一些频率的信号。过去的滤波器都是由r、l、c等无源元件组成，称为无源滤波器，现在已经很少使用。目前的低频滤波器大都是由r、c元件与有源器件（如运算放大器）组成，称为rc有源滤波器。 常见滤波器的类型有低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器，全通滤波器等。除此之外，还有程控有源滤波器max261/262。,一、rc有源低通滤波器,特点：允许低频信号通过，而衰减或抑制高频信号。理想低通滤波器的模频特性如图虚线所示， 为截止频率。,3.5 有源滤波器,通带,一、rc有源低通滤波器,rc有源低通滤波器电路,所以：,又,电压传输函数为,模为,3.5 有源滤波器,通带,二、rc有源高通滤波器,特点：允许高频信号通过，而衰减或抑制低频信号。理想高通滤波器的模频特性如图中虚线所示， 为截止频率。,3.5 有源滤波器,二、rc有源高通滤波器,rc有源高通滤波器电路,由图可求得电压传输函数