教学材料《传感器》-第十三章

第一节

采样保持电路一､采样过程及定理很多传感器的输出信号都是模拟信号,如温度传感器､压力传感器等,这些传感器输出信号的波形,除了某些间断点外,基本上都是光滑的曲线｡随着数字技术的发展,很多情况下被测信号要求数字显示,或用于数控系统以及送入数字计算机进行处理｡要把模拟信号送入数字系统的先决条件就是将其转换为数字信号,即要把随时间连续变化的模拟输入信号转换为离散的信号,其离散化的转换过程是通过采样来完成的｡1.采样过程采样(Sample)就是对连续变化信号的瞬时值进行抽取的过程｡采样过程可以被看成是脉冲调制的过程,下一页返回第一节

采样保持电路该过程将一个连续变化的信号转换成一串窄脉冲序列,采样开关就相当于调制器,其工作原理如图13-1所示｡开关S的动作频率决定着单位时间内取样脉冲的个数,S的动作越快,取样脉冲越密,取样脉冲的包络线也越能反映模拟信号的变化特征｡2.采样定律为了采样控制和数据处理的方便,一般都采用等间隔采样,即采样周期T为一常数,采样频率fS为采样周期的倒数,即fS=1/T｡在采样电路中,采样频率的选择是非常重要的,一般是根据被测信号的特性及系统的功能要求来综合考虑｡如果采样频率过高,一方面对系统的硬件要求较高;上一页下一页返回第一节

采样保持电路另一方面数据量增加将对计算机的存储容量和数据处理速度也会提出更高的要求｡反之,如果采样频率过低,则采样点相距太远,无法由采样所得的数据复现原来的连续时间函数,就会造成较大误差｡所以必须正确地选择采样的频率,以保证可以不失真地复现原信号,而数据量又不至于过大,为此信号采样应遵循采样定理,即香农定理(ShannonTheoRem)｡采样定理指出:如果对一个具有有限频谱(0<f<fmax)的连续信号进行采样,当采样频率fS≥2fmax时,则采样所得的离散信号就能无失真地恢复到原来的连续信号｡例如,某信号的最高频率fmax=1000Hz,根据采样定理的要求,采样频率fS≥2fmax≥2000Hz上一页下一页返回第一节

采样保持电路即采样输出脉冲周期TS≤1/2000=500μS｡需指出,按照采样定律,提高采样频率将有助于提高采样精度,但这样做的结果会增加数据量｡另一方法是降低信号中的最高频率fmax,因为在很多情况中,信号中的高频分量是一些干扰信号,有些情况下信号中的高频分量虽不是干扰信号,但没有这些高频成分并不影响有用信息的传递,故可以采用低通滤波器滤掉信号中的高频分量,降低信号的最高频率,这样采样频率不用很高也能满足采样定理的要求｡二､采样保持电路1.工作原理采样保持电路有两种工作方式,一种是采样方式,上一页下一页返回第一节

采样保持电路另一种是保持方式,故称采样/保持器(S/H)｡在采样方式下,采样保持电路的输出跟踪模拟输入电压;而在保持状态时,采样保持电路的输出将保持此命令发出时刻所采集的输入值,且一直保持到保持命令撤销时为止｡此时,采样保持电路又进行新的采样工作,其输出又跟随输入信号的变化,直到下一个保持命令发出为止,上述采样保持过程可用示意图13-2表示例如,在对检测的模拟信号进行A/D变换时,从启动变换到变换结束要经过一定的时间,称为A/D转换器的孔径时间｡由于A/D转换孔径时间的存在,当输入的检测信号频率较高时,会因A/D转换跟不上检测信号的变化而造成较大的孔径误差｡因此为防止这种误差的产生,上一页下一页返回第一节

采样保持电路必须在A/D转换开始后保持输出信号电平不变,而在A/D转换结束后又能即时跟踪输入信号的变化,即处于采样保持状态,以保证A/D转换有足够的精确度｡因此通常在A/D转换器的前端加入采样保持电路,在A/D转换过程中,采样保持电路起到了一个“模拟信号存储器”的作用｡能完成上述功能的电路称为采样保持电路,图13-3是采样保持的理想波形｡采样保持电路的工作原理如图13-4所示,主要由保持电容C,输入缓冲放大器A1､输出缓冲隔离放大器A2,控制开关S等组成｡图13-4(a)为开环串联型,图13-4(b)为闭环反馈型,闭环反馈型相对于开环串联型具有更高的工作稳定性和测量精度｡采样保持器中两个缓冲放大器A1和A2均接成跟随器形式,上一页下一页返回第一节

采样保持电路采样期间,开关S闭合,被采样的输入信号经A1跟随器､开关S向电容C快速充电;保持期间,开关S断开,由于输出缓冲放大器A2的输入阻抗极高,电容C上存储的电荷将基本维持不变,即保持采样结束时电容C的充电值,并经跟随器A2输出｡电容C的大小与采样频率及采样精度有关,采样频率越高,要求电容充电速度越快,因而电容C越小,但此时电容放电速率也快,保持精度较差｡反之,如果采样频率比较低,则可选用较大的电容,以获得较高的保持精度｡采样保持器充放电电容取值范围在几百微法到0.01μF之间｡2.主要性能采样保持器工作状态由外部控制信号控制,上一页下一页返回第一节

采样保持电路由于电子开关S的切换过程需要一定的时间,所以电容C实际保持的信号电压与采样结束时的充电值会存在一定的延时误差,如图13-5所示｡但与A/D的转换时间和信号的变化时间相比,开关电路切换延时造成的信号误差是微乎其微的｡在实际的检测系统中,是否需要采样保持器,取决于模拟信号的变化频率和A/D转换时间,对直流或缓变低频信号进行采样时通常可不需要采样保持器｡使用采样保持器需注意以下主要性能指标｡1)捕获时间TAC(AcqUiSitionTime)捕获时间又称获取时间或捕捉时间,是指采样保持器接到采样命令时刻起,上一页下一页返回第一节

采样保持电路其输出从所保持的值到当前输入信号的值(允许误差为±0.1%~±0.01%)所需的时间｡捕获时间与电容C的充电时间常数､放大器的响应时间以及保持电压的变化幅度有关,一般在350nS~15μS.该时间限制了采样频率的提高,而与转换精度无关｡2)孔径时间TAP(ApeRtUReTime)孔径时间又称孔径延时,是指保持命令下达时刻(t1)到开关S完全断开时刻(t2)之间的时间间隔｡使电容C上保持的电压是时刻t2的Ui(t2)值,而不是时刻t1的Ui(t1)值｡可以将保持命令提前TAP下达,以消除TAP的延时影响｡3)孔径抖动TAJ(ApeRtUReJitteR)上一页下一页返回第一节

采样保持电路孔径抖动又称孔径不确定性(度),是孔径时间的变化范围｡通常孔径抖动TAJ是孔径时间TAP的10%~50%｡孔径时间所产生的误差可通过保持命令提前达到消除,但孔径抖动的影响无法消除｡4)保持建立时间THS(HoldModeSettingTime)保持建立时间THS是在TAP之后,S/H的输出按一定的误差带(如±0.1%~±0.01%)达到稳定的时间｡5)衰减率(DRoopRate)衰减率反映采样保持器输出值在保持时间内下降的速率｡输出值下降的原因是保持电容C本身以及放电通道阻抗并非无穷大,使得电容C慢速放电,引起保持电压的下降｡上一页下一页返回第一节

采样保持电路6)传导误差(FeedthRoUgh)传导误差又称馈送或馈通｡在保持期间,由于模拟开关的断开电阻不为无穷大,以及开关极间电容的影响,输入信号会耦合到保持电容上引起输出电压的微小变化｡3.常用的采样保持电路1)开环采样保持电路模拟式开环采样保持电路如图13-6所示,其工作原理与图13-4(a)所示的电路相同,此时图13-4(a)中开关S的功能由具有高速通断特性的N沟道结型场效应管V3实现｡在图13-6中,当控制端为高电平(+5V)时,上一页下一页返回第一节

采样保持电路V1截止→V2截止→V3导通,Ui经V3对电容C充电,即实现对输入信号Ui的采样｡当控制端为低电平时,V1,V2导通→V3截止,电容C将保持采样结束时所得到的Ui信号,并经缓冲隔离放大器A2传递到输出端｡2)闭环采样保持器模拟式闭环采样保持器电路如图13-7所示,其工作原理与图13-4(b)所示的电路相同,此时采样保持器电路中的控制开关功能更加完备｡图中V1为P沟道场效应管,栅压低电平时导通;图中V2和V3为N沟道场效应管,栅压高电平时导通｡当控制端为高电平时,D1导通→V1截止,D2截止→R3上无压降(零偏压)→V2,V3均导通,上一页下一页返回第一节

采样保持电路由于V2导通使电容C1充电采样,Uc1≈Ui｡当控制端为低电平时,D1截止→V1导通,D2导通→R3上有压降(负偏压)→V2､V3均截止,此时电容C1将保持采样终了值并经A2传递到输出端｡闭环采样保持器的特点是:跟踪精度高,但建立时间较长,因此一般适用于低频采样的场合｡LF198/LF298/LF398是目前较为通用的闭环采样保持器集成芯片,其结构原理图如图13-8所示｡图13-8中运算放大器A1和A3在采样状态时组成电压跟随器,管脚5输出电压Uo与管脚3输入电压Ui相等｡模拟开关S受到电压比较器A2的控制,上一页下一页返回第一节

采样保持电路当管脚7输入逻辑电平低于管脚8控制逻辑参考电压时,电压比较器A2输出为高,使模拟开关S断开,输出电压保护不变｡管脚6为保持电容连接端,用以外接保持电容CH,管脚2为调零端,管脚1,4为电源端U+,U-,电源设置范围为±5V~±18V,典型值为±15V｡LF198/LF298/LF398的调零电路如图13-9所示,该电路具有直流调零和交流调零两部分电路,图中RW1和RW2是调零电位器｡4.AD781集成高速采样保持器AD781是AnalogDeviceS公司生产的高速集成采样保持放大器(SHA-SampleandHoldAmplifier上一页下一页返回第一节

采样保持电路AD781采用低功耗八脚小型DIP封装,非常适用于高密度布局电路,AD781的引脚排列如图13-10所示｡1)AD781的主要性能AD781主要性能如下｡①采样时间短,能在700nS内完成高速采样并得到12bit精度;②内含保持电容,并具有补偿电路,下降速度慢,其保持误差为0.01μV/μS;③功耗低(典型值95mW),体积小,集成度高,功能全;④无须外接元件与外部调整;⑤适用于任何快速模数转换器的前端电路;上一页下一页返回第一节

采样保持电路⑥保持电路误差恒定,与输入无关｡2)AD781的应用AD781采样保持器具有快速的采样和保持建立时间,并有良好的驱动能力,因此适用于快速､高精度的A/D应用场合｡AD781保持建立的时间极短,因此在多数情况下,可以用一个命令同时启动AD781和A/D转换器,从而避免了启动转换的延时｡在AD781采样保持器应用电路中,还要注意以下几点｡①电源去耦与接地｡作为任何高速､高保真采样系统,电源电压都必须是稳定的,并且没有高频噪声｡AD781的电源也应能提供暂态电流,上一页下一页返回第一节

采样保持电路为达到指定精度和动态性能,必须在正电源引脚与COMMON之间和负电源引脚与COMMON之间各接一去耦电容,通常选用0.1μF的陶瓷电容器｡AD781在与多数转换器连用时并没有引出独立的模拟接地端和数字接地端,COMMON端是唯一接地端,它是输入采样电压与输出保持电压的参考端,也是数字接地端的返回路线｡它用一根单独导线与A/D转换器的独立接地端相连,又因为模拟地与数字地在内部已接在一起,因此,COMMON端也应与数字地相连,通常把它接在A/D转换器的模拟地端｡②噪声｡应用电路中应考虑噪声源对数据采集系统精度的影响,驱动A/D转换器的SHA也会产生噪声并影响驱动效果上一页下一页返回第一节

采样保持电路AD781的噪声可以归结到总体输出噪声,它包括采样带宽噪声和带宽限制噪声｡③模拟输入驱动｡为得到最佳性能应该用一个低阻抗信号源来驱动AD781的模拟输入,这样可以减小模拟端与数字端的交叉干扰,从而提高采样精度｡高阻抗(>5kΩ)的信号源相对地会提高交叉干扰的水平｡当信号源阻抗较大时,就需要在AD781前接一个运算放大器进行缓冲｡④高频采样｡孔径波纹和失真一直是限制SHA高频性能的重要因素,孔径波纹调制了保持指令的相位,并在采样模拟输入时产生明显的噪声,而波纹的幅值与引入信号的频率有关｡高频采样的精度受噪声和失真的限制,并与频率的分辨率成正比上一页返回第二节

峰值检测电路在科学实验､工业检测等领域经常需要对信号的峰值进行检测,如机械的最大冲击力,振动过程中的最大幅值,测试工业过程中的最高温度､最大流量､最大压力等｡另外,人们在选择和使用电气设备及电子器件时,也要考虑峰值的影响,因为瞬时峰值往往远大于正常值,它是造成机械事故或电路故障的主要原因,准确地了解峰值,采取必要的措施可避免故障的出现,因此峰值测量在实际应用中占有十分重要的位置｡一､峰值测量方法峰值测量的要求就是将某一瞬态过程中正相或反相的最大幅值准确地记录下来｡为了精确地测量出随时间迅速变化的某参数的峰值,需要用自动检测仪表进行指示､记录,下一页返回第二节

峰值检测电路但仪表都有一定的惯性,跟不上被测信号的变化,因此,工程上通常采用如图13-11所示的测量方法｡这种测量方法是先用动态性能良好的传感器将被测信号转换成电信号,然后进行放大处理,再经峰值保持器将峰值保持起来,最后送给终端记录或显示｡二、峰值保持器峰值保持器又称峰值检波器,它是一种特殊的采样保持器｡峰值保持器在测量过程中自动地跟踪被测的输入信号,并保持信号变化过程中的最大值｡如图13-12所示,图中Ui为被测信号,即峰值保持器的输入信号,Uo为峰值保持器输出信号｡峰值保持器的类型很多,下面介绍典型的几种峰值保持器｡上一页下一页返回第二节

峰值检测电路1.同相型正峰值保持器同相型正峰值保持器的原理电路如图13-13所示,图中的A1､A2起缓冲和隔离作用,电容C起保持作用,两级同相跟随器保持输出电压Uo与输入电压Ui同相｡图中的二极管的正向导通特性,使电容C保持的是输入电压Ui的正峰值｡当电容C充电到Ui的正峰值时,使得Uc=Uim;此后当小于Uim的瞬时值Ui到来时,二极管反偏而截止,使得电容器C上仍保持输入电压的正峰值Uim｡如果电路中的泄漏电流很小时,电容C上保持的峰值将下降很小,从而获得很高的保持精度,保持精度常用保持电压的漂移率来衡量,其数学表达式为上一页下一页返回第二节

峰值检测电路式中D———表示保持电压的漂移率;ΔUo———表示保持电压随时间t下降的幅度;I漏———表示电容C泄漏的总电流;C———表示电容量｡由上式可见,若要提高保持精度,即减小漂移率,除采用较大的电容外,要求运算放大器具有高输入阻抗,以减小漏电流｡图13-14是同相型低漂移正峰值保持器电路,图中采用由电介质隔离工艺制造的双极型场效应管OPA2111双运放作输入级电路,具有极高的输入阻抗(差模输入阻抗1013Ω//1pF,共模输入阻抗1014Ω//2pF)和极低的偏置电流(≤4pA),故适用于作低漂移保持器｡上一页下一页返回第二节

峰值检测电路图中输入级运算放大器和两个二极管组成正峰值采样电路｡利用JFETN沟道场效应管2N4117A的漏､源极短接与栅极形成的二极管作隔离电路,由于2N4117A的反向电流比普通二极管低得很多,可以提高保持电容的峰值保持性能｡1MΩ电阻的作用是当峰值保持时,JFET组成的隔离二极管处于零偏置,以进一步减小保持电容的漏电流｡为了提高保持器的抗干扰能力,输入级运算放大器和JFET的漏､源极在印制板上应采取屏蔽保护｡输出级与输入级间采用闭环工作方式,较之与图13-13开环工作方式具有较强的拟制漂移的作用｡若要得到负峰值保持器,可将图13-14中的二极管反接,相应地JFET应改为P沟道场效应管｡上一页下一页返回第二节

峰值检测电路2.同相型负峰值保持器同相型负峰值保持器电路如图13-15所示｡电路中R1和C2用来抑制持周期和采样周期之间瞬变产生的过冲,因为它们可限制高频时反馈回路的相移和衰减;R1和C2的大小可根据运算放大器和二极管类型以及精度要求通过实验来确定｡R2决定下降速率,若下降速率一定,则下降时间可通过使用特殊的低漏泄二极管来增大｡这种保持器的精度较高,在100kHz和5V幅度时,精度优于测量误差｡在500kHz时,电路的对称偏移为-1%,即-5.00V的负幅度产生-4.96V的输出｡上一页返回第三节

绝对值检测电路在检测系统中,测量交流信号的平均值,实际上是把此交变的双极性信号根据整流原理变为单极性信号,然后求其平均值,绝对值检测电路就是为此而设计的｡由于整流电路所采用的二极管是非线性元件,它存在着死区电压,当测量小信号时会产生较大的误差,欲要提高小信号绝对值的测量精度,需要二极管工作在理想的线性状态,这显然是不可能的,必须从电路的其他角度考虑｡一､绝对值检测原理电路绝对值检测原理电路如图13-16所示｡①当输入电压Ui在正半周时,二极管D1导通､D2截止,此时,运算放大器A1的输出电压为:下一页返回第三节

绝对值检测电路运放A2的输出电压为若令R1=R2,R6=R4=2R5,则有②当输入电压Ui在负半周时,二极管D1截止,D2导通,此时,运算放大器A1的输出电压为运放A2的输出电压为可见,在Ui的一个周期内,从电路的输出端获得两个正半波,实现了绝对值的测量要求,其波形如图13-17所示｡二､提高测量精度的方法为了提高测量精度,方法之一是尽量减少电路元件,上一页下一页返回第三节

绝对值检测电路尤其是要减少匹配电阻,以减小电阻带来的测量误差｡方法之二是改反相输入方式为同相输入方式,以提高输入电阻,减小测量电路的分流作用,如图13-18所示｡上一页返回第四节

有效值检测电路有效值(EffectiveValUe)是根据电流热效应来规定的,让一个交流电流和一个直流电流分别通过阻值相同的电阻,如果在相同时间内产生的热量相等,那么就把这一直流电的数值叫做这一交流电的有效值｡在电工技术中,普通的电表在测交流电时,实际测量的是平均值,但表上的标度是有效值,这对测量标准的正弦波来说是准确的｡但对不同波形的非正弦量,平均值电表指示出的值却不一样,这就需要有一种能真正测量交流电有效值的电表,不因交流电的波形不同而产生测量误差｡理论分析告诉我们,真正交流电有效值应等于其均方根值,这种能直接测量交流电均方根值的电路,称之为真有效值检测电路,下面仅介绍单片真有效值检测电路的工作原理和基本应用｡下一页返回第四节

有效值检测电路一､单片真有效值测量电路工作原理根据交流电均方根值的定义｡电压U(t)的有效值表达式为借助于电路对被测电压U(t)进行“平方→平均→开方”运算,即可获得交流电压的真有效值｡若将上式两边取平方,且令则可得到真有效值的另一表达式上一页下一页返回第四节

有效值检测电路上式中Avg表示取平均值,这表明,对U(t)依次进行取“绝对值→平方→平均值”运算,也可获得交流电压的真有效值｡这种算法更具有实用价值,由于能同时完成U2/URMS两步运算,与前一式算法相比,大大减小了平方器的动态运算范围,既便于设计电路,又提高了运算的准确度｡例如,假设U=0.1V~10V,直接平方后U2=10mV~100V,这就要求平方器的动态范围必须达到100V∶10mV=10000∶1,而平方器不可能输出100V的大信号,更何况它本身的误差就可能大于1mV,因此前一式单独计算U2的方法在实际电路中难以实现｡而利用后一式运算,可同时完成U2/URMS两步运算,上一页下一页返回第四节

有效值检测电路其动态范围就减小到100∶1,因而平方器的动态范围减小了100倍｡因此,目前单片真有效值运算电路都按这一算法设计二､AD536A简介AD536A是一个能实现真有效值运算的单片集成电路,它能直接计算任何含有直流和交流成分的复杂输入信号的有效值｡由于该片采用了峰值补偿措施,因而转换误差较小｡在它的内部有输入和输出保护电路,输入电压能承受高于电源电压的过载电压,且输出电压具有短路保护功能｡AD536A的主要技术指标如下｡电源电压范围:±3V~±18V;电源电流:1.2mA;上一页下一页返回第四节

有效值检测电路输入满刻度值:7V;输入阻抗:106Ω;输出阻抗:25kΩ;测量输出:≤0.2%;频率稳定:输入大于100mV为450kHz,输入大于1V为2MHz;分贝输出:0~60dB｡AD536A的基本结构如图13-19所示｡AD536A采用14脚DIP封装,其内部包括有源整流器(即绝对值电路)､平方/除法器､镜像电流源和缓冲器4个部分｡上一页下一页返回第四节

有效值检测电路BUFIN,BUFOUT分别为缓冲器的输入､输出端,RL为内部电阻R2的引出端,该端通常与COM短接｡IOUT