智能儀器智能第四章45

1、4.5采樣保持電路及多路模擬開關(guān)一、引言采用A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行轉(zhuǎn)換時，總需要一定的時間來完成采樣、量化及相應(yīng)的編碼工作。 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間TC取決于器件、采用的方法、轉(zhuǎn)換位數(shù)等多個因素。如果在轉(zhuǎn)換時間TC內(nèi)，輸入模擬信號仍在變化，此時進行量化顯然會產(chǎn)生一定的誤差。下面我們以最常用的正弦信號為例估計這個誤差。如對正弦波信號VVFSsin2ft采樣，在轉(zhuǎn)換時間TC內(nèi)，信號電壓最大變化發(fā)生在正弦信號過零時，如圖所示，此時信號變化速率為FS02 fVdtdVtVVVFSt而在轉(zhuǎn)換時間TC內(nèi)最大可能出現(xiàn)的誤差可用下式進行估算由此可得出式中，f為輸入的正弦信號頻率。如果要求誤差V小于量化電平

2、Q，QVFS/2N最大正弦信號頻率可用下式計算0CdVTVtdtCFST2VVfTc211Nmaxf例如一個12位ADC，轉(zhuǎn)換時間TC=25us，用它來直接轉(zhuǎn)換一個正弦波信號并要求精度優(yōu)于1LSB，則信號頻率不能超過1.5Hz。 S/H控制輸入VisVo可見ADC直接轉(zhuǎn)換模擬變換信號在很多情況下是行不通的。大多數(shù)情況下都要在交變信號源與ADC之間加接采樣保持 （ S/H ）電路。作用是采集信號的某一指定瞬間的值（即樣品），保持樣品值在一段時間內(nèi)不變，讓ADC轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC給出信號，S/H保持電路再采集新的樣品，再次轉(zhuǎn)換。S/H電路起著模擬電壓記憶器件的作用。最簡單的S/H電路如：二.

3、采樣保持器（S/H）分類S/H電路 S/H 跟蹤/保持（T/H） S/H電路非?？焖俚膶斎胄盘柌蓸樱缓筮M入保持模式，開關(guān)S僅在很短的時間內(nèi)閉合。一般由脈沖變壓器予以驅(qū)動，開關(guān)閉合時間小于幾十納秒。 跟蹤/保持電路（T/H）的開關(guān)則有較長時間接通，在接通期間輸出跟蹤輸入。只是在控制指令下電路才進入保持模式，保持住指令對應(yīng)的瞬時輸入電壓不變 （a.）S/H電路（b.）跟蹤/保持電路三、幾種S/H電路的性能 S/H電路應(yīng)用時的兩個問題為了盡可能快地使保持電容器CH上的電壓跟蹤輸入信號，電容器的充電回路應(yīng)該有盡可能小的時間常數(shù)。然而模擬信號源的內(nèi)阻未必是很小的。因此有必要在信號源與開關(guān)S之間接入輸

4、入緩沖放大器。輸入緩沖器應(yīng)該有高的輸入阻抗和低的輸出阻抗，并且有高的壓擺率以適應(yīng)輸入階躍變化的需要，還應(yīng)該有大的電流輸出能力用以對電容器充電。 1. 速度問題：S/H控制輸入VisVo2. 精度問題：在保持模式時，要求電容器上的電壓保持不變，這除了要求電容器的漏電流應(yīng)該極小外，還要求與輸出相聯(lián)接的電路，例如ADC有極高的輸入阻抗，以免電容器通過這些電路放電。但是這些電路的輸入電阻未必很大。例如ADC的輸入電阻一般約為2.5-10k 。因此有必要在電容器與后續(xù)電路之間接入輸出緩沖器。輸出緩沖器應(yīng)該有極高的輸入阻抗（往往高達 1010）、高的壓擺率以及低的輸出阻抗。上面討論的應(yīng)該增加的電路和對元件

5、的要求，其核心問題是兩個，即S/H電路的速度和精度。S/H控制輸入VisVo3.采樣/保持電路的技術(shù)指標孔徑時間：指發(fā)出保持指令到開關(guān)真正打開所需要的時間。 輸入信號頻率愈低，孔徑誤差愈小。捕捉時間：指從開始采樣至采樣保持器輸出達到輸入信號的值所需要的時間。與保持電容、輸入緩沖器的壓擺率有關(guān)。采樣時間必須大于捕捉時間。一般采樣保持電路達到輸入0.01%的捕捉時間在300ns-15us。保持電壓的下降：一般在0.01uV-1uV/ms饋通（送）：指在保持期間由于輸入信號電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，其值一般在0.01%-0.001%。電壓增益精度：指當環(huán)境和電源變化時，電壓增益可以保持的精度

6、。 孔徑不定性孔徑時間VVVFSt（一）反相閉環(huán)積分型采樣/保持電路 下圖是一種結(jié)構(gòu)簡單，精確的采/保電路。輸入帶有緩沖器,由于R1=R2,電路總增益為-1。輸出運放接成積分器形式，所以這種電路稱為反相閉環(huán)積分型電路。這種電路比較精確，但采集樣品時間較長，因而不是快速的。 +1ViA12KR1S+-CH2000pFR2 2KA2Vo控制邏輯 開關(guān)S接通，電路進入采集模式，電容器CH被充電，電容器兩端電壓即為輸出電壓Vo。由于積分器反相輸入端是虛地，流過R1的電流IR1是恒定的，IR1=Vi/R1。對電容器CH的充電電流ICH是IR1的一部分，隨著輸出電壓Vo增長，充電電流將減小，所以Vo的增長

7、將是非線性的，可列方程：電路分析：201RVIIRCHHCHCdtdvI0201201RVRVRVIIiRCHHiHCRVCRVdtdv1100 /01titeVV 當R1=R2時得：式中=R1CH ，是充電回路的時間常數(shù)。當R1=2k ，CH=2000pF時， =R1CH =4us。如果要求輸出電壓與輸入電壓之差的百分比，即精度為0.01%大約相當于12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的0.5LSB，則t=9=36us。上面的計算說明，在輸入加以階躍符號Vi后，要經(jīng)過約36us輸出Vo才能達到（1-0.01%）Vi。還沒有包括輸入緩沖的建立時間和運放的響應(yīng)速度。對輸入緩沖級的輸入阻抗要求，可以從對S/H的精度要求

8、估算得到，例如ADC為12位，即對S/H的傳輸精度要求為0.01%，如果信號源內(nèi)阻為1k則分壓在信號源內(nèi)阻上的降落比例應(yīng)小于0.01%。即S/H輸入阻抗應(yīng)大于108。當然，這種誤差可歸結(jié)為增益誤差，可在系統(tǒng)的其他電路予以補償。對輸出運放的輸入阻抗要求更高，因為在保持模式時，電容器通過輸出運放的輸入阻抗放電，使電容器電壓即輸出電壓降落，直接影響到精度。所以輸出運放都是以場效應(yīng)器件作為輸入級，輸入阻抗可高達1010。電容器電壓降低與電容量大小有關(guān)。為避免降落過大，電容量不能太小。因此，時間常數(shù)也就不會很小。時間常數(shù)中的另一項R1也不能過小。因為在保持模式時，R1與R2起著隔離模擬輸入與S/H輸出的

9、作用。從隔離效果看，R1,R2越大越好。正因如此，這種電路的速度不會很快。為了提高電路的工作速度，可在反饋電路內(nèi)增加一個電壓增益為1的放大器，如下圖所示：+1+1控制邏輯ViA1R1AA2R22000pFCHSA3+-Vo5K5K 現(xiàn)在，對電容器的充電電流由A2提供,經(jīng)A3輸出阻抗構(gòu)成電路。A2,A3的輸出阻抗約為10，充電時間常數(shù)是由A2,A3輸出阻抗之和（約20）乘以電容量CH。如果CH仍取2000pF，則時間常數(shù)僅為40ns。比前一種電路4us小得多。不過集成運放可以提供的充電電流是有限的，如果A2,A3兩者都可最大提供20mA，則電容器一開始以恒定電流20mA充電，輸出電壓線性上升（負

10、向），然后A點電位有足夠下降，A2,A3脫離高壓擺率的限制，充電電流隨輸出電壓負向增大而減小，充電到終值的0.01%以內(nèi)大約要1.2us，比前一種電路的36us快很多。同時R1,R2已不再是決定時間常數(shù)的因素了，為了有良好的隔離，它們的數(shù)值可以取得大些。A1+1Vi+-SRCHA2Vo（二）非反相閉環(huán)單位增益采/保電路這是另一種常用的S/H電路，輸出與輸入同相，增益為1 。保持電容CH一般是外接的，以增加使用的靈活性。為了避免外接電容接地而損壞A1,S/H內(nèi)部加接了300電阻，這個電阻還可防止A1因純?nèi)菪载撦d易引起振蕩。從電路可以看出這是從輸出到輸入的閉環(huán)負反饋，因此運放A1,既是輸入緩沖器，

11、又是誤差糾正放大器。 在采樣模式時，如果輸入與輸出有差異，輸出經(jīng)R反饋到A1，誤差經(jīng)A1反相放大后使電容器充（放）電，直到誤差趨近零，由于具有誤差糾正能力，放大器A2的增益就不必很精確，只要粗略為+1就可以了。在采樣模式時，輸出跟蹤輸入。A1的輸出等于A2的輸入，上圖中的兩個二極管均不工作 。保持模式時，S斷開，兩個二極管使A1的輸出嵌位于其輸入，A1處于閉環(huán)狀態(tài)，得以穩(wěn)定的工作。在保持模式時電阻R使A2的輸出與A1的輸入隔離開。保持模式時，電容器CH上的電壓降是誤差的最大來源，電壓降落的原因除了電容器自身漏電、通過放大器A2輸入阻抗放電外,現(xiàn)在討論的這種采/保電路由于電容器是外接的，電容器的

12、非地端會通過印刷電路板的焊點對周圍其它電位不同的導體放（充）點，特別是印刷電路板質(zhì)量不高，絕緣電阻不大或被沾污時更為嚴重。為了減小這種電壓降落，可以在印刻電路板上圍繞CH非地端制作保護環(huán)，如圖：保護環(huán)與S/H輸出端相連，它與CH非地端等電位，有些S/H集成塊的安排已注意到這需要。保護環(huán)LF198/298/398的原理框圖為了提高精度（即使其下降速度慢），要增加保持電容CH，但CH增大又會增加采樣時間。兩級采樣/保持電路原理二、多路模擬開關(guān) 主要用途： (1)是把模擬信號分時地送入ADC，完成多到一的轉(zhuǎn)換； (2) 把由DAC轉(zhuǎn)換成的模擬信號，按一定的順序輸出到不同的控制回路中去。完成一到多的轉(zhuǎn)

13、換。 常用半導體多路開關(guān)： CD4051（雙向8路）、CD4066（四路雙向）、CD7501（單向8路）、CD4052（單向、差動、4路）漏電流：指通過斷開的開關(guān)的電流。動態(tài)響應(yīng)：與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)有兩個，一個是開關(guān)的切換時間，另一個是開閉合后系統(tǒng)的帶寬。源負載效應(yīng)誤差：指信號源電阻RS和開關(guān)導通電阻RON與多路開關(guān)后接器件的等效電阻RL分壓而引起的誤差。它使輸出信號減小。串擾：指斷開通道的信號電壓偶合到接收通道而引起的干擾。模擬多路開關(guān)的主要性能指標實現(xiàn)多路切換的方法 繼電式切換開關(guān)， 包括干簧繼電器 和濕簧繼電器。 半導體式切換開 關(guān)，常稱為多路 模擬開關(guān)。主要特點：導通電阻?。?以下）斷開電阻大，控制信號與測量信號之間不存在通路，但其屬于機械式開關(guān)，開關(guān)動作速度低，壽命短，對于干簧式一般在105-106次之間，濕簧式可達108次。主要應(yīng)用于共享測量放大器。小信號測量場合，在制種情況下，對開關(guān)導通電阻及溫漂的要求很高。主要特點：導通電阻較大（可達幾K），斷開電阻在108 左右，控制信號與測量信號之間存在耦合，開關(guān)的動作快，動作延時通常是微秒級的，壽命長。主要用于快速測量系統(tǒng)中各通道各自獨立的測量放大器，信號傳至切換開關(guān)已有較大的幅度。雙向8通道多路開關(guān)CD4051 由電平轉(zhuǎn)換、譯碼/驅(qū)動和開關(guān)電路三部分組成。 電平轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)CMOS到TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換。加到通道選擇