数据采集与处理.ppt

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 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 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 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 tAC 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A D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 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 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 由此可得出 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 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A D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 计算系统可采集的最高信 号频率 解 由式 5 5 知 5 4系统采集速率与采样 保持器的关系 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 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 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 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 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 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tAC 6 s 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 A D转换 5 6采样 保持器使用中应注意的问题 采样 保持器和A D转换器各完成一次动作所需时间之和应小于采样周期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A D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A D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 6 s 12位的A D转换器 精度等于2 12 100 0 024 则应取采样 保持器的误差带为0 01 0 005 在CH 1000pF时 tAC 25 s 5 6采样 保持器使用中应注意的问题 保持电压下降率对A D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 13LF198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5V 2 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