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1、数据采集与处理技术第5章 采样/保持器主要内容n采样/保持器的工作原理n采样保持器的类型和主要性能参数n系统采集速率与采样/保持器的关系n采样保持器使用中应注意的问题5.1 概述n模拟信号通过A/D转换器转换为数字信号需要一定的转换时间n模拟信号在A/D转换器转换过程中要基本保持不变，否则转换精度没有保证，尤其在输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差n解决办法：n提高A/D转换器的转换速度，减小转换时间n通过某种器件将某时刻的模拟信号保持住，然后再由A/D转换器进行转换5.2 采样/保持器的工作原理n采样/保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路，主要由模拟开关、电容
2、和缓冲放大器组成，一般结构形式如图所示模拟输入信号模拟输入信号Ui驱动信号驱动信号CHUCAUOK模拟地模拟地5.2 采样/保持器的工作原理nt1时刻之前，开关闭合，模拟信号对电容进行充电，电容电压随模拟信号电压变化，跟踪期；nt1时刻，开关断开，电容电压为断开瞬间的模拟信号电压，保持期；模模拟拟输输入入采采样样输输出出控控制制信信号号t1t2t3t45.2 采样/保持器的工作原理n采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件，它有两个稳定状态：n跟踪状态n保持状态n采样保持器的作用n“稳定”快速变化的输入信号，以利于减少采样误差n储存模拟多路开关输出的模拟信号，有利于提高多路信号采集速率影
3、响采样保持器精度的因素n电容的电容值n电容值过大，时间常数大，对高频信号的跟踪能力差n漏电流n漏电流影响电压的保持n负载的阻抗n阻抗太小也会引起保持信号电平的变化减小影响因素的措施n输入输出缓冲，减少信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗n选择适当的电容值，保证时间常数适中n选用泄漏小的电容5.3.1 采样/保持器的类型n采样保持器按结构可以分为两种类型：串联型和反馈型n串联型采样保持器的结构n优点：结构简单n缺点：失调电压为两个运放失调电压之和，影响采集精度，跟踪速度较低UiUOA2A1UKKCH5.3.1 采样/保持器的类型n反馈型采样保持器n采样精度高于串联型n跟踪速度较快UiUOA2A1
4、UKK1CHK2eOS1eOS2R5.3.2 采样保持器的主要性能参数n孔径时间tAPn是指保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。n由于孔径时间的存在，采样保持器实际保持的输出值与希望的输出值之间存在一定的误差，该误差称为孔径误差tU0模拟输入信号模拟输入信号实际的输出实际的输出希望的输出希望的输出孔径误差孔径误差tAPtSTt1t2tACtAP保持保持保持保持跟踪跟踪5.3.2 采样保持器的主要性能参数n孔径不定tAPn指孔径时间的变化范围n孔径时间体现的是采样时刻的延迟，而孔径不定是对这个延迟的变化的描述n孔径时间从理论上说可以用改变采样时刻的方式消除，而孔径不定则会对采样的精度
5、及频率产生影响n孔径时间是对具体的一次采样个体的描述，而孔径不定则是对孔径时间的一个总体上的描述5.3.2 采样保持器的主要性能参数n捕捉时间tACn是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n捕捉时间不影响采样精度，但对采样频率的提高有影响n产品手册上给出的捕捉时间通常是指采样保持器在输出为FSR，而保持结束时输入已变至FSR情况下的捕捉时间5.3.2 采样保持器的主要性能参数n保持电压的下降n当采样保持器处在保持状态时，由于电容的漏电流使保持电压值下降，下降的值随保持时间的增大而增加，通常用保持电压的下降率来表示)()()/(pFCp
6、AIsVTUH5.3.2 采样保持器的主要性能参数n馈送n在采样保持器处在保持状态时，保持电容上的电压应与输入电压变化无关。但实际上由于模拟开关存在寄生电容的缘故，输入电压的交流分量将通过寄生电容而引起输出电压的微小变化模拟输入信号模拟输入信号UiCHUCAUOK模拟地模拟地CS5.3.2 采样保持器的主要性能参数n跟踪到保持的偏差n指跟踪最终值与建立保持时的保持值之间的偏差电压n这种偏差是电荷转换误差补偿后剩余的误差，与输入信号有关，是不可预估的误差n电荷转移偏差n这种偏差是在保持状态时，电荷通过寄生电容转移到保持电容器上引起的，可通过加大保持电容容量来克服5.4 系统采集速率与采样保持器的
7、关系n系统采集速率与A/D转换器的转换时间和位数之间有什么关系？n采样保持器在系统采集与A/D转换之间有什么样的作用？n如何通过A/D的技术指标和（或）采样保持器的性能指标来估算系统采集的最高速率？A/D转换时间与系统采集速率的关系t0UtUUm/2mCONViCONViCONVmmmiUftdtdUtUtUfUtUdtdUmaxmax,21cos21变化可能为输入模拟信号电压最大内在转换时间在过零处A/D转换时间与系统采集速率的关系n若限定在转换时间之内，正弦信号电压的变化最大不超过1LSB，在UmFSR条件下，数据采集系统可采集的信号最高频率为n若限定为1/2LSB，则最高频率为CONVn
8、tf21maxCONVntf1max215.4 系统采集速率与采样保持器的关系n例5.1 已知A/D转换器的型号为AD0804，其转换时间tCONV100s(时钟频率为640kHz)，位数n8，允许信号变化为1/2 LSB，计算系统可采集的最高信号频率n本题属于用AD转换时间和位数估算可采集的信号最高频率的类型HztfCONVn22. 61010014. 321216181max5.4 系统采集速率与采样保持器的关系n因为通常采样保持器的孔径时间远远小于A/D转换器的转换时间，所以加上采样保持器后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nt不再是A/D的转换时间，而是采样保持器的孔
9、径时间n1LSB要求时n1/2LSB要求时APntf21maxAPntf1max215.4 系统采集速率与采样保持器的关系n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tAP50ns，ADC0804的转换时间tCONV100 s（时钟频率为640kHz），计算系统可采集的最高信号频率nFmax12.44 kHz5.4 系统采集速率与采样保持器的关系n系统可处理的最高输入信号频率转换器的转换时间。时间（包括抖动时间）采样保持器的最大孔径；采样保持器的捕捉时间式中：DAttttttfCONVAPACAPCONVAC/)(21max5
10、.4 系统采集速率与采样保持器的关系n例5.3 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捕捉时间tAC6 s，孔径时间tAP50ns，ADC0804的转换时间tCONV100 s（时钟频率为640kHz），计算系统可采集的最高信号频率5.5 采样/保持器集成芯片nAD585AD585应用SMP04SMP185.6 采样/保持器使用中应注意的问题n采样率与采样保持器的选用n对于使用采样保持器的数据采集系统，通常每次数据采集都包括一次采样和一次A/D转换，因此，采样保持器和A/D转换器各完成一次动作所需要的时间之和应该小于采样周期CONVSTACS
11、SSCONVSTACtttTfTttt115.6 采样/保持器使用中应注意的问题n采样/保持器的捕捉时间tACn与规定的误差范围有关n与保持电容CH的大小有关n应该与A/D转换器的分辨率配合思路：nA/D转换器的分辨率一定程度上约束了规定的误差范围，而不同的误差范围与保持电容的大小一起又进一步的约束了捕捉时间n当保持电容一定时，则决定了捕捉时间n当要求捕捉时间时，则影响到保持电容大小5.6 采样/保持器使用中应注意的问题n采样/保持器的保持电压下降率决定了在A/D转换期间加到A/D转换器输入端的电压的稳定程度。n为了保证数据采集精度，应在A/D转换时间tCONV内，采样/保持器的保持电压下降不能超过1/2LSB，即n再根据漏电流的大小来核定CH是否合适CONVtLSBdtdU21)()()/(pFCpAIsVTUH5.6 采样/保持器使用中应注意的问题n采样保持器孔径时间tAP的选择maxmaxmax2121t/21dtdULSBtLSBtdtdULSBdtdUiAPAPiAPi或应满足保持器的孔径时间，则所选采样小于，允许的孔径误差化率为若设输入信号的最大变