智能仪器智能第四章45

1、4.5采样保持电路及多路模拟开关一、引言采用A/D转换器对模拟信号进行转换时，总需要一定的时间来完成采样、量化及相应的编码工作。 A/D转换器的转换时间TC取决于器件、采用的方法、转换位数等多个因素。如果在转换时间TC内，输入模拟信号仍在变化，此时进行量化显然会产生一定的误差。下面我们以最常用的正弦信号为例估计这个误差。如对正弦波信号VVFSsin2ft采样，在转换时间TC内，信号电压最大变化发生在正弦信号过零时，如图所示，此时信号变化速率为FS02 fVdtdVtVVVFSt而在转换时间TC内最大可能出现的误差可用下式进行估算由此可得出式中，f为输入的正弦信号频率。如果要求误差V小于量化电平

2、Q，QVFS/2N最大正弦信号频率可用下式计算0CdVTVtdtCFST2VVfTc211Nmaxf例如一个12位ADC，转换时间TC=25us，用它来直接转换一个正弦波信号并要求精度优于1LSB，则信号频率不能超过1.5Hz。 S/H控制输入VisVo可见ADC直接转换模拟变换信号在很多情况下是行不通的。大多数情况下都要在交变信号源与ADC之间加接采样保持 （ S/H ）电路。作用是采集信号的某一指定瞬间的值（即样品），保持样品值在一段时间内不变，让ADC转换。转换结束后，ADC给出信号，S/H保持电路再采集新的样品，再次转换。S/H电路起着模拟电压记忆器件的作用。最简单的S/H电路如：二.

3、采样保持器（S/H）分类S/H电路 S/H 跟踪/保持（T/H） S/H电路非常快速的对输入信号采样，然后进入保持模式，开关S仅在很短的时间内闭合。一般由脉冲变压器予以驱动，开关闭合时间小于几十纳秒。 跟踪/保持电路（T/H）的开关则有较长时间接通，在接通期间输出跟踪输入。只是在控制指令下电路才进入保持模式，保持住指令对应的瞬时输入电压不变 （a.）S/H电路（b.）跟踪/保持电路三、几种S/H电路的性能 S/H电路应用时的两个问题为了尽可能快地使保持电容器CH上的电压跟踪输入信号，电容器的充电回路应该有尽可能小的时间常数。然而模拟信号源的内阻未必是很小的。因此有必要在信号源与开关S之间接入输

4、入缓冲放大器。输入缓冲器应该有高的输入阻抗和低的输出阻抗，并且有高的压摆率以适应输入阶跃变化的需要，还应该有大的电流输出能力用以对电容器充电。 1. 速度问题：S/H控制输入VisVo2. 精度问题：在保持模式时，要求电容器上的电压保持不变，这除了要求电容器的漏电流应该极小外，还要求与输出相联接的电路，例如ADC有极高的输入阻抗，以免电容器通过这些电路放电。但是这些电路的输入电阻未必很大。例如ADC的输入电阻一般约为2.5-10k 。因此有必要在电容器与后续电路之间接入输出缓冲器。输出缓冲器应该有极高的输入阻抗（往往高达 1010）、高的压摆率以及低的输出阻抗。上面讨论的应该增加的电路和对元件

5、的要求，其核心问题是两个，即S/H电路的速度和精度。S/H控制输入VisVo3.采样/保持电路的技术指标孔径时间：指发出保持指令到开关真正打开所需要的时间。 输入信号频率愈低，孔径误差愈小。捕捉时间：指从开始采样至采样保持器输出达到输入信号的值所需要的时间。与保持电容、输入缓冲器的压摆率有关。采样时间必须大于捕捉时间。一般采样保持电路达到输入0.01%的捕捉时间在300ns-15us。保持电压的下降：一般在0.01uV-1uV/ms馈通（送）：指在保持期间由于输入信号电压变化而引起输出电压变化的程度，其值一般在0.01%-0.001%。电压增益精度：指当环境和电源变化时，电压增益可以保持的精度

6、。 孔径不定性孔径时间VVVFSt（一）反相闭环积分型采样/保持电路 下图是一种结构简单，精确的采/保电路。输入带有缓冲器,由于R1=R2,电路总增益为-1。输出运放接成积分器形式，所以这种电路称为反相闭环积分型电路。这种电路比较精确，但采集样品时间较长，因而不是快速的。 +1ViA12KR1S+-CH2000pFR2 2KA2Vo控制逻辑 开关S接通，电路进入采集模式，电容器CH被充电，电容器两端电压即为输出电压Vo。由于积分器反相输入端是虚地，流过R1的电流IR1是恒定的，IR1=Vi/R1。对电容器CH的充电电流ICH是IR1的一部分，随着输出电压Vo增长，充电电流将减小，所以Vo的增长

7、将是非线性的，可列方程：电路分析：201RVIIRCHHCHCdtdvI0201201RVRVRVIIiRCHHiHCRVCRVdtdv1100 /01titeVV 当R1=R2时得：式中=R1CH ，是充电回路的时间常数。当R1=2k ，CH=2000pF时， =R1CH =4us。如果要求输出电压与输入电压之差的百分比，即精度为0.01%大约相当于12位数据转换的0.5LSB，则t=9=36us。上面的计算说明，在输入加以阶跃符号Vi后，要经过约36us输出Vo才能达到（1-0.01%）Vi。还没有包括输入缓冲的建立时间和运放的响应速度。对输入缓冲级的输入阻抗要求，可以从对S/H的精度要求

8、估算得到，例如ADC为12位，即对S/H的传输精度要求为0.01%，如果信号源内阻为1k则分压在信号源内阻上的降落比例应小于0.01%。即S/H输入阻抗应大于108。当然，这种误差可归结为增益误差，可在系统的其他电路予以补偿。对输出运放的输入阻抗要求更高，因为在保持模式时，电容器通过输出运放的输入阻抗放电，使电容器电压即输出电压降落，直接影响到精度。所以输出运放都是以场效应器件作为输入级，输入阻抗可高达1010。电容器电压降低与电容量大小有关。为避免降落过大，电容量不能太小。因此，时间常数也就不会很小。时间常数中的另一项R1也不能过小。因为在保持模式时，R1与R2起着隔离模拟输入与S/H输出的

9、作用。从隔离效果看，R1,R2越大越好。正因如此，这种电路的速度不会很快。为了提高电路的工作速度，可在反馈电路内增加一个电压增益为1的放大器，如下图所示：+1+1控制逻辑ViA1R1AA2R22000pFCHSA3+-Vo5K5K 现在，对电容器的充电电流由A2提供,经A3输出阻抗构成电路。A2,A3的输出阻抗约为10，充电时间常数是由A2,A3输出阻抗之和（约20）乘以电容量CH。如果CH仍取2000pF，则时间常数仅为40ns。比前一种电路4us小得多。不过集成运放可以提供的充电电流是有限的，如果A2,A3两者都可最大提供20mA，则电容器一开始以恒定电流20mA充电，输出电压线性上升（负

10、向），然后A点电位有足够下降，A2,A3脱离高压摆率的限制，充电电流随输出电压负向增大而减小，充电到终值的0.01%以内大约要1.2us，比前一种电路的36us快很多。同时R1,R2已不再是决定时间常数的因素了，为了有良好的隔离，它们的数值可以取得大些。A1+1Vi+-SRCHA2Vo（二）非反相闭环单位增益采/保电路这是另一种常用的S/H电路，输出与输入同相，增益为1 。保持电容CH一般是外接的，以增加使用的灵活性。为了避免外接电容接地而损坏A1,S/H内部加接了300电阻，这个电阻还可防止A1因纯容性负载易引起振荡。从电路可以看出这是从输出到输入的闭环负反馈，因此运放A1,既是输入缓冲器，

11、又是误差纠正放大器。 在采样模式时，如果输入与输出有差异，输出经R反馈到A1，误差经A1反相放大后使电容器充（放）电，直到误差趋近零，由于具有误差纠正能力，放大器A2的增益就不必很精确，只要粗略为+1就可以了。在采样模式时，输出跟踪输入。A1的输出等于A2的输入，上图中的两个二极管均不工作 。保持模式时，S断开，两个二极管使A1的输出嵌位于其输入，A1处于闭环状态，得以稳定的工作。在保持模式时电阻R使A2的输出与A1的输入隔离开。保持模式时，电容器CH上的电压降是误差的最大来源，电压降落的原因除了电容器自身漏电、通过放大器A2输入阻抗放电外,现在讨论的这种采/保电路由于电容器是外接的，电容器的

12、非地端会通过印刷电路板的焊点对周围其它电位不同的导体放（充）点，特别是印刷电路板质量不高，绝缘电阻不大或被沾污时更为严重。为了减小这种电压降落，可以在印刻电路板上围绕CH非地端制作保护环，如图：保护环与S/H输出端相连，它与CH非地端等电位，有些S/H集成块的安排已注意到这需要。保护环LF198/298/398的原理框图为了提高精度（即使其下降速度慢），要增加保持电容CH，但CH增大又会增加采样时间。两级采样/保持电路原理二、多路模拟开关 主要用途： (1)是把模拟信号分时地送入ADC，完成多到一的转换； (2) 把由DAC转换成的模拟信号，按一定的顺序输出到不同的控制回路中去。完成一到多的转

13、换。 常用半导体多路开关： CD4051（双向8路）、CD4066（四路双向）、CD7501（单向8路）、CD4052（单向、差动、4路）漏电流：指通过断开的开关的电流。动态响应：与动态响应有关的参数有两个，一个是开关的切换时间，另一个是开闭合后系统的带宽。源负载效应误差：指信号源电阻RS和开关导通电阻RON与多路开关后接器件的等效电阻RL分压而引起的误差。它使输出信号减小。串扰：指断开通道的信号电压偶合到接收通道而引起的干扰。模拟多路开关的主要性能指标实现多路切换的方法 继电式切换开关， 包括干簧继电器 和湿簧继电器。 半导体式切换开 关，常称为多路 模拟开关。主要特点：导通电阻小（1以下）断开电阻大，控制信号与测量信号之间不存在通路，但其属于机械式开关，开关动作速度低，寿命短，对于干簧式一般在105-106次之间，湿簧式可达108次。主要应用于共享测量放大器。小信号测量场合，在制种情况下，对开关导通电阻及温漂的要求很高。主要特点：导通电阻较大（可达几K），断开电阻在108 左右，控制信号与测量信号之间存在耦合，开关的动作快，动作延时通常是微秒级的，寿命长。主要用于快速测量系统中各通道各自独立的测量放大器，信号传至切换开关已有较大的幅度。双向8通道多路开关CD4051 由电平转换、译码/驱动和开关电路三部分组成。 电平转换可实现CMOS到TTL逻辑电平的转换。加到通道选择