數(shù)據(jù)采集技術5 采樣 保持器.ppt

1、,5.1 概述,5.2 采樣/保持器的工作原理,5.3 類型和主要性能參數(shù),第5章 采樣保持器,5.4 采集速率與采樣/保持器的關系,5.5 采樣/保持器的使用,5.6 采樣保持器使用應注意問題,5.1 概述,第5章 采樣保持器,問題：,模擬信號進行 AD 轉換時，從啟 動轉換到轉換結束輸出數(shù)字量，需 要一定的轉換時間，當輸入信號頻 率較高時，會造成很大的轉換誤差。,解決方法：,采用一種器件，在AD轉換時 保持住輸入信號電平，在AD 轉換結束后跟蹤輸入信號的變化。,這種功能的器件就是采樣保持器。,第5章 采樣保持器,5.2 采樣保持器的工作原理,采樣保持器的一般結構形式如圖5.1所示。,模擬信

2、號,Ui,K,驅動信號,模擬地,UO,圖5.1 采樣保持器的一般結構形式,5.2 采樣保持器的工作原理,組成,模擬開關K,電容CH,緩沖放大器A,在t1時刻前，控制電路的驅 動信號為高電平時，模擬開 關K 閉合，模擬輸入信號Ui 通過模擬開關加到電容CH 上，使得CH端電壓UC 跟隨 Ui 變化而變化。,在t1時刻，驅動信號為低電 平，模擬開關K斷開，此時 電容CH 上的電壓UC 保持 模擬開關斷開瞬間的Ui 值 不變并等待AD轉換器轉 換。,5.2 采樣保持器的工作原理,工作原理如下：,t,控 制 信 號,t,模 擬 輸 入,A,t,采 樣 輸 出,跟蹤,t1,A2,t2,A1,t3,保持,

3、A3,t4,A,圖5.2 采樣保持器工作原理,而在t2時刻，保持結束， 新一個跟蹤時刻到 來， 此時驅動信號又為高電 平，模擬開關K 重新閉 合， CH 端電壓UC 又跟 隨Ui 變化而變 化；,t3時刻，驅動信號為低 電平時，模擬開關K斷開，.。,5.2 采樣保持器的工作原理,從以上討論可知：,采樣保持器是一種用邏輯電平控 制其工作狀態(tài)的器件。,5.2 采樣保持器的工作原理,它具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：,跟蹤狀態(tài),在此期間它盡可能快地接收模擬輸入 信號，并精確地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直到接到保持指令為止。,保持狀態(tài),對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸 入信號進行保持。,5.2 采樣保持器的工

4、作原理,采樣保持器主要起以下兩種作用：,“穩(wěn)定” 快速變化的輸入信號，以減少 轉換誤差。,用來儲存模擬多路開關輸出的模擬信 號，以便模擬多路開關切換下一個模 擬信號。,第5章 采樣保持器,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),1. 采樣保持器的類型,按結構分為兩種類型：,串聯(lián)型,串聯(lián)型采樣保持器的結構如圖5.3 。,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),A1和A2分別是輸入和輸出緩沖放大器，用 以提高采樣保持器的輸入阻抗，減小輸出阻 抗，以便與信號源和負載連接。,K是模擬開關，由控制信號電壓UK控制其 斷開或閉合。CH是保持電容器。,Ui,K,UK,模擬地,UO,圖5.3 串聯(lián)型采樣保持器

5、的結構,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),優(yōu)點：,缺點：,其失調電壓為兩個運放失調電壓之和， 比較大，影響到采樣保持器的精度。,跟蹤速度也較低。,結構簡單,反饋型,反饋型采樣保持器的結構如圖5.4 所示。,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),其輸出電壓反饋到輸入端，使和共同組成一個跟隨器。,開關和有互補的關系：,K1閉合，K2斷開,K1斷開， K2閉合,圖5.4 反饋型采樣保持器的結構,Ui,模擬地,K1,UK,UC,UO,K2,作用：,當K1閉合， K2斷開時，A1和A2共同組 成一個跟隨器，采樣保持器工作于 跟蹤狀態(tài)。,此時，保持電容CH的端電壓為,式中 eOS1 和 eOS2

6、分別為運放 A1和A2的失調電壓。,當K1斷開， K2閉合時，采樣保持器 工作于保持狀態(tài)。,此時， CH的端電壓保持在K1斷開瞬間 的Ui值上，使,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),優(yōu)點：, 采樣/保持精度高，原因是只有eOS1影 響精度。, 跟蹤速度快,缺點：,結構復雜。,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),孔徑時間tAP ,保持指令給出瞬間到模 擬開關有效切斷所經(jīng)歷 的時間。,如圖5.5所示。,2. 采樣保持器的主要性能參數(shù),孔徑時間tAP,捕捉時間,孔徑不定,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),由圖5.5可知， 在tAP后的輸出還 有一段波動，經(jīng) 過一定時間tST后 才保持

7、穩(wěn)定。,t,U,孔徑誤差,實際輸出,希望的輸出,模擬信號,保持,跟蹤,保持指令發(fā)出時刻,tAP,tAP,tAC,tST,保持,圖5.5 采樣保持全過程,為了量化的 準確，應在發(fā)出 保持指令后延遲 一段時間，再啟 動AD轉換。,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),由于孔徑時間的存在，而產(chǎn)生,孔徑誤差,采樣保持器實際保持的 輸出值與希望輸出值之差。,孔徑不定tAP,孔徑不定tAP ,孔徑時間的變化范圍。,孔徑時間使采樣時刻延遲。,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),如果延遲時間不變，則對總的采樣結 果的精確性不會有太大影響。,但若孔徑時間在變化，則對精度就會 有影響。,捕捉時間tAC,捕捉

8、時間,指當采樣保持器從保持狀 態(tài)轉到跟蹤狀態(tài)時，采樣 保持器的輸出從保持狀態(tài)的 值變到當前的輸入值所需的 時間。,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),捕捉時間不影響采樣精度，但對采樣 頻率的提高有影響。,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),保持電壓的下降,當采樣保持器處在保持狀態(tài)時，由 于漏電流使保持電壓值下降，下降值隨保 持時間增大而增加，常用保持電壓的下降 率來表示：,式中 I 保持電容CH的漏電流。,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),為了使保持狀態(tài)的保持電壓的變化率不超 過允許范圍，須選用優(yōu)質電容。,增加CH的值可使保持電壓的變化率不大，但 將使跟蹤的速度下降。,饋送,饋送

9、,指輸入電壓Ui的交流分量通過開 關K的寄生電容CS加到CH上，使 得Ui的變化引起輸出電壓UO的微 小變化。,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),交流分量引起的誤差。,保持電容器CH，饋送， 但不利于采樣頻率的提高。,圖5.6 饋送的通路,Ui,UO,K,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),跟蹤到保持的偏差,跟蹤到保持的偏差,跟蹤最終值與建 立保持狀態(tài)時的 保持值之間的偏 差電壓。,該誤差與輸入信號有關，是一個不可 預估的誤差。,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),電荷轉移偏差,電荷轉移偏差,指在保持狀態(tài)時，電荷 通過開關K 的寄生電容 轉移到保持電容器上引 起的誤差。,保持電容

10、器CH，電荷轉移偏差，,采樣保持器的響應時間。,此誤差由直流分量引起。,5.3 采樣保持器的類型和主要性能參數(shù),由以上討論可以看出，采樣保持器 的性能在很大程度上取決于保持電容器的 質量。因此，應該選擇優(yōu)質電容器。,第5章 采樣保持器,5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關系,首先討論不用采樣保持器，而直接 用AD轉換器對模擬信號進行轉換的情況。,設模擬信號如圖5.8所示。,5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關系,對正弦信號采樣，在t內，模擬信號 電壓的最大變化率發(fā)生在正弦信號過零時，,t,t,U,U,圖5.8 正弦信號的最大變化率,5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關系,由于在正弦信號過零時，

11、t = n， |cos(n)| =1，所以,則,5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關系,而在AD轉換時間tCONV內，輸入的 正弦信號電壓最大變化可能為,由此可得出,5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關系,如果在轉換時間tCONV內，正弦信號電 壓的最大變化不超過1LSB所代表的電壓， 則在Um = FSR條件下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采 集的最高信號頻率為,5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關系,則系統(tǒng)可采集的最高信號頻率為,由（5-4）、（5-5）式可看出，系統(tǒng) 可采集的最高信號頻率受AD轉換器的 位數(shù)和轉換時間的限制。,5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關系,【例5.1】已知AD轉換器的型號為A

12、DC0804， 其轉換時間tCONV=100s（時鐘頻率為 640kHz），位數(shù)n = 8，允許信號變化,為,，計算系統(tǒng)可采集的最高信,號頻率。,解：,由式（5-5）知,5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關系,如果在AD轉換器的前面加一個采 樣保持器，這樣就變成在t = tAP內討 論系統(tǒng)可采集模擬信號的最高頻率。,仍考慮對正弦信號采樣，則系統(tǒng)可采 集的信號最高頻率為,5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關系,結論：,因為tAP一般遠遠小于AD轉換器的 轉換時間tCONV，所以，有采樣保 持器的系統(tǒng)可采集的信號最高頻率 要大于未加采樣保持器的系統(tǒng)。,5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關系,【例5

13、.2】用采樣保持器芯片AD582和AD轉 換器芯片ADC0804組成一個采集系統(tǒng)。 已知AD582的孔徑時間 tAP =50ns， ADC0804的轉換時間 tCONV =100s （時鐘頻率為640kHz），計算系統(tǒng)可 采集的最高信號頻率。,解：,由式（5-7）知,5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關系,應該指出的是：,根據(jù)采樣定理，采集一個 有限帶寬的模擬信號，采 樣頻率至少應兩倍于最高 信號頻率。,這意味著帶采樣保持器的數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)處理的最高輸入信號頻率應為,第5章 采樣保持器,5.5 采樣保持器集成芯片,常用的集成采樣保持器有多種，因 時間的關系，下面只介紹其中的兩種。,1. AD5

14、82,AD582是通用型采樣保持器。,其管腳及結構示意如圖5.9所示。,5.5 采樣保持器集成芯片,組成,高性能運放,低漏電阻的模擬開關,結型場效應管集成的放大器,5.5 采樣保持器集成芯片,AD 582的特性如下：,有較短的信號捕捉時間，最短達6s。,有較高的采樣保持電流比，可達107。,輸入信號電平可為電源電壓US 。,具有相互隔開的模擬地、數(shù)字地，從而提 高了抗干擾能力。,具有差動的邏輯輸入端。,AD582可與任何獨立的運算放大器連接。,5.5 采樣保持器集成芯片,由圖5.10可知，AD582是反饋型采樣保持 器，保持電容接在運放的輸出端（腳8）與輸入 端（腳6）之間。,根據(jù)“密勒效應”

15、，這樣的接法相當于,在A2的輸入端接有電容,5.5 采樣保持器集成芯片,所以AD582外接較小的電容可獲得 較高的采樣速率：,當精度要求不太高（0.1%）而速度要 求較高時，可選CH = 100pF，這時的捕 捉時間tAC6s。,當精度要求較高（0.01%）時，為減 小饋送的影響和減緩保持電壓的下降， 應取CH = 1000pF 。,5.5 采樣保持器集成芯片,圖5.10是增益為1，輸出不反相的連接線路。,圖5.11是輸出不反相電路，電路增益可由外 接電阻來選擇，增益,2. LF198,LF198也是反饋型采樣保持器，請大家自習。,5.6 采樣保持器使用應注意問題,1. 采樣保持器選用時應注意

16、的問題,捕捉時間、轉換時間與采樣周期的關系,在帶有采樣保持器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，,每次數(shù)據(jù)采集過程,采樣,AD轉換,5.6 采樣保持器使用應注意問題,采樣保持器和AD轉換器各完成 一次動作所需時間之和應小于采樣周期 TS。即,選用采樣保持器應注意的問題, tAC與規(guī)定誤差范圍有關。因此， tAC的 大小應與AD轉換器的精度配合：,8位AD轉換器的精度等于,與之相配的采樣保持器的誤差帶可取為 0.2%(0.1%),AD582在CH=100pF時，tAC =6s。,12位的AD轉換器，精度等于 2-12100% = 0.024% 則應取采樣保持器的誤差帶為 0.01%(0.005%)。,在CH =

17、1000pF時， tAC = 25s。,5.6 采樣保持器使用應注意問題, 保持電壓下降率對AD轉換器輸入端 的電壓穩(wěn)定度的影響。,為了保證數(shù)據(jù)采集精度，應使保持 電壓下降率為,5.6 采樣保持器使用應注意問題,當根據(jù)LSB定出,后，可按式,（5-3）校核CH的值。, 孔徑時間與精度、信號的最大變化率的關系,設輸入信號的最大變化率為,，允,許的孔徑誤差,，則孔徑時間應滿足下式：,5.6 采樣保持器使用應注意問題,或,5.6 采樣保持器使用應注意問題,2. 電路設計中應注意的問題,接地,原因：,采樣保持器是一種由模擬電路與 數(shù)字電路混合而成的集成電路，一 般有分離的模擬地和數(shù)字地引腳。,目的：,

18、避免數(shù)字電路的突變電流對模擬電 路的影響。,5.6 采樣保持器使用應注意問題,方法：,將模擬地與數(shù)字地分別用引線接到 模擬電源和數(shù)字電源的參考點上。,漏電耦合的影響,如圖5.13所示。,當進入保持模式時， 邏輯輸入信號會通過印刷 電路板布線間的漏電流耦 合到模擬輸入端而引起保 持誤差。,LF198,模擬輸入,3,U+,1,U-,4,5,輸出,6,7,8,邏輯信號輸入,0V,5V,圖5.13 LF198采樣/保持邏輯,5.6 采樣保持器使用應注意問題,解決方法：,印刷電路板布線時，應使邏輯輸入端的 走線盡可能遠離與模擬輸入端。,將模擬信號輸入端用地線包圍起來，以 隔斷漏電流的通路。,降低邏輯輸入信號的幅值，如5V2.5V。,5.6 采樣保持器使用應注意問題,寄生電容的影響,現(xiàn)象：,在邏輯信號輸入端 與保持電容器之間存在 寄生電容，當邏輯信號 輸入端加一跳變的控制 信號時，由于寄生電容 的耦合作用，也將引起 采樣保持器的輸出誤 差。,LF198,模擬輸入,3,U+,1