数据采集与处理技术-5

数据采集与处理技术_5第一页，共66页。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5.4采集速率与采样/保持器的关系5.5采样／保持器集成芯片第5单元采样／保持器教学内容

5.6

使用中应注意的问题2第二页，共66页。第5章采样／保持器5.1

概述3第三页，共66页。数据采集问题：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。5.1

概述这种功能的器件就是采样／保持器。4第四页，共66页。第5章采样／保持器5.2

采样／保持器的工作原理5第五页，共66页。5.2

采样／保持器的工作原理本节教学目标

了解采样/保持器的一般结构

理解采样/保持器的工作原理

6第六页，共66页。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5.2

采样／保持器的工作原理7第七页，共66页。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A8第八页，共66页。5.2

采样／保持器的工作原理在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。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，......。9第九页，共66页。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。

它具有两个稳定的工作状态：跟踪（或采样）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。10第十页，共66页。5.2

采样／保持器的工作原理保持状态

对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。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。11第十一页，共66页。第5章采样／保持器5.3

类型和主要性能参数

12第十二页，共66页。5.3

类型和主要性能参数

本节教学目标

了解采样/保持器的结构类型

理解采样/保持器的主要性能参数13第十三页，共66页。5.3

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。串联型反馈型14第十四页，共66页。5.3

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15第十五页，共66页。5.3

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。16第十六页，共66页。5.3

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。图5-4反馈型采样／保持器的结构Ui

-+A1-+eOS1

-+A2CH模拟地-+eOS2K1UKUCUORK2开关和有互补的关系K1闭合，K2断开K1断开，K2闭合作用：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

17第十七页，共66页。5.3

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。18第十八页，共66页。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。2.

采样／保持器的主要性能参数孔径时间tAP什么是〞孔径时间〞

？5.3

类型和主要性能参数

19第十九页，共66页。5.3

类型和主要性能参数

捕捉时间孔径不定

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△tAPtST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。tAC△U△t20第二十页，共66页。5.3

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。21第二十一页，共66页。5.3

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。22第二十二页，共66页。5.3

类型和主要性能参数

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。什么是〞捕捉时间〞

？23第二十三页，共66页。5.3

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。24第二十四页，共66页。5.3

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CH的值可使保持电压的变化率不大，但将使CH跟踪Ui的速度下降。25第二十五页，共66页。5.3

类型和主要性能参数

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。什么是〞馈送〞

？26第二十六页，共66页。5.3

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

-+A2CHUOCSK寄生电容27第二十七页，共66页。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28第二十八页，共66页。5.4

系统采集速率与采样／保持器的关系本节教学目标

了解采样/保持器对提高系统采集速率的作用29第二十九页，共66页。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。30第三十页，共66页。5.4

系统采集速率与采样／保持器的关系Ui=Um2sinωt

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31第三十一页，共66页。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，ωt=±nπ，|cos(±nπ)|=1，所以则32第三十二页，共66页。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33第三十三页，共66页。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34第三十四页，共66页。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，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。35第三十五页，共66页。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=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36第三十六页，共66页。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37第三十七页，共66页。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。38第三十八页，共66页。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=100s

（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39第三十九页，共66页。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40第四十页，共66页。第5章采样／保持器5.5

采样／保持器集成芯片41第四十一页，共66页。5.5

采样／保持器集成芯片本节教学目标

了解采样/保持器集成芯片的构造

了解采样/保持器集成芯片的连接

42第四十二页，共66页。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。43第四十三页，共66页。5.5

采样／保持器集成芯片组成1.高性能运放2.低漏电流的模拟开关3.结型场效应管集成的放大器44第四十四页，共66页。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。45第四十五页，共66页。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

图5-10AD582的实用电路（一）46第四十六页，共66页。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≤6s。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

。47第四十七页，共66页。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48第四十八页，共66页。第5章采样／保持器

5.6

使用中应注意的问题49第四十九页，共66页。5.6

使用中应注意的问题本节教学目标

了解捕捉时间、转换时间与采样周期的关系

了解选用采样／保持器应注意的问题

了解电路设计中应注意的问题50第五十页，共66页。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

使用中应注意的问题51第五十一页，共66页。5.6

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转换器的相对分辨率配合：52第五十二页，共66页。5.6

使用中应注意的问题8位A／D转换器的相对分辨率等于与之相配的采样／保持器的误差带可取为

0.2%(±0.1%)在CH=100pF时，tAC=6s。53第五十三页，共66页。5.6

使用中应注意的问题12位的A／D转换器，相对分辨率等于则应取采样／保持器的误差带为

0.01%(±0.005%)。在CH=1000pF时，tAC=25s。54第五十四页，共66页。5.6

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55第五十五页，共66页。5.6

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：56第五十六页，共66页。5.6

使用中应注意的问题或57第五十七页，共66页。5.6

使用中应注意的问题2.

电路设计中应注意的问题接地

采样／保持器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。58第五十八页，共66页。5.6

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AD583U+14U-95输出4CH73逻辑信号输入0V5V图5-13AD583采样/保持逻辑

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。模拟输入2131159第五