第5章 采样保持器

1、数据采集与处理技术第第5章章 采样采样/保持器保持器微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统传感器传感器放大放大器器采采样样/保保持持器器传感器传感器传感器传感器传感器传感器A/D转转换换器器计计算算机机显示器显示器打印机打印机绘图机绘图机定时与逻辑控制定时与逻辑控制传感器传感器传感器传感器接接口口被被测测物物理理量量数字信号数字信号开关信号开关信号多路开关多路开关n5.1 概述概述n5.2 采样/保持器的工作原理n5.3 类型和主要性能参数n5.4 采集速率与采样/保持器的关系n5.5 采样/保持器集成芯片n5.6 使用中应注意的问题第第5章章 采样采样/保持器保持器问题：问题：模拟信号

2、进行模拟信号进行A/D转换时，从转换时，从启动转换到启动转换到转换结束转换结束输出数字量，输出数字量，需要一定的转换时需要一定的转换时间间，在转换时间内，模拟信号必须保持不，在转换时间内，模拟信号必须保持不变，否则会造成转换误差。变，否则会造成转换误差。解决方法：解决方法：采用一种器件，在采用一种器件，在A/D转换时保持住输转换时保持住输入信号电平，在入信号电平，在A/D转换结束后跟踪输转换结束后跟踪输入信号的变化。入信号的变化。“模拟信号存储器模拟信号存储器”采样采样/保持器保持器：用于对模拟输入信号进行采样，然：用于对模拟输入信号进行采样，然后根据逻辑控制信号指令保持瞬态值，保证模数转后根

3、据逻辑控制信号指令保持瞬态值，保证模数转换期间以最小的衰减保持信号的一种器件。换期间以最小的衰减保持信号的一种器件。l模拟通道的结构形式模拟通道的结构形式A/D通道的结构形式通道的结构形式 单通道单通道 不带不带S/H直流或低频模拟信号直流或低频模拟信号 带带S/H高频变化的模拟信号高频变化的模拟信号 多通道多通道 每个通道有自己的每个通道有自己的S/H和和ADC并行多通道并行多通道 各通道有自己的各通道有自己的S/H, 共享共享ADC 各通道共享各通道共享S/H和和ADC微机系统的微机系统的A/D通道通道n5.1 概述概述n5.2 采样采样/保持器的工作原保持器的工作原理理n5.3 类型和主

4、要性能参数n5.4 采集速率与采样/保持器的关系n5.5 采样/保持器集成芯片n5.6 使用中应注意的问题第第5章章 采样采样/保持器保持器模拟信号模拟信号UiK驱动信号驱动信号ACH模拟地模拟地UO采样保持器的一般结构形式采样保持器的一般结构形式采样采样/ /保持器是一种具有信号输入、信号输出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。以及由外部指令控制的模拟门电路。组成组成：模拟开关：模拟开关K、电容、电容CH和缓冲放大器和缓冲放大器A。UCUiK驱动信号驱动信号CH模拟地模拟地UOUCAt控控制制信信号号t模模拟拟输输入入At采采样样输输出出跟踪跟踪t1A2t2A1

5、t3保持保持A3t4A采样采样/保持器工作原理保持器工作原理跟踪跟踪保持保持跟踪跟踪u在在t1时刻前时刻前，控制电路的驱控制电路的驱动信号为高电平时，动信号为高电平时，模拟模拟开关开关K 闭合，模拟输入信闭合，模拟输入信号号Ui 通过模拟开关加到电通过模拟开关加到电容容CH 上，使得上，使得CH端电压端电压UC 跟随跟随Ui 变化而变化。变化而变化。工作原理如下：工作原理如下：u在在t1时刻，驱动信号为低时刻，驱动信号为低电平，模拟开关电平，模拟开关K断开断开，此时电容此时电容CH 上的电压上的电压UC 保持模拟开关断开瞬间的保持模拟开关断开瞬间的Ui 值不变并等待值不变并等待A/D转换转换器

6、转换器转换。u而在而在t2时刻，保持结束，时刻，保持结束，新一个跟踪时刻到来，新一个跟踪时刻到来，此时驱动信号又为高电此时驱动信号又为高电平，模拟开关平，模拟开关K重新闭合，重新闭合，CH 端电压端电压UC 又跟随又跟随Ui 变变化而变；化而变；ut3时刻，驱动信号为低时刻，驱动信号为低电平时，模拟开关电平时，模拟开关K断断开开，.。 采样采样/ /保持器是一种用逻辑电平控制其工作状保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件。态的器件。 它具有两个稳定的工作状态：它具有两个稳定的工作状态：跟踪状态：跟踪状态：在此期间它尽可能快地接收模在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信

7、号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。到保持指令为止。 保持状态：保持状态：对接收到保持指令前一瞬间对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。的模拟输入信号进行保持。因此，采样因此，采样/ /保持器是在保持器是在“保持保持”命令发出的瞬间进行命令发出的瞬间进行采样，而在采样，而在“跟踪跟踪”命令发出时，采样命令发出时，采样/ /保持器跟踪模保持器跟踪模拟输入量，为下次采样做准备。拟输入量，为下次采样做准备。采样采样/ /保持器主要起以下两种作用：保持器主要起以下两种作用：“稳定稳定” 快速变化的输入信号，以减少转换误差。快速变化的输入信号，

8、以减少转换误差。 用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。多路开关切换下一个模拟信号。电容电容CH对精度的影响：对精度的影响：如果电容值过大，则其时间常数大，当模拟信号频率如果电容值过大，则其时间常数大，当模拟信号频率高时，由于电容充放电时间长，将会影响电容对输入高时，由于电容充放电时间长，将会影响电容对输入信号的跟踪特性，而且在跟踪的瞬间，电容两端的电信号的跟踪特性，而且在跟踪的瞬间，电容两端的电压会与输入信号电压有一定的误差。压会与输入信号电压有一定的误差。如果电容值过小，在保持状态时，由于电容漏电流如果电容值过小

9、，在保持状态时，由于电容漏电流的存在或者负载内阻太小的影响，会引起保持信号的存在或者负载内阻太小的影响，会引起保持信号电平的变化。电平的变化。u 在选择电容时，容量大小要适宜，以保证其时间常在选择电容时，容量大小要适宜，以保证其时间常数适中，并选用泄露小的电容。数适中，并选用泄露小的电容。u 另外，一般在输入端和输出端均采用缓冲器，以减另外，一般在输入端和输出端均采用缓冲器，以减少信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗。少信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗。n5.1 概述概述n5.2 采样采样/保持器的工作原理保持器的工作原理n5.3 类型和主要性能参数类型和主要性能参数n5.4 采集速率与采

10、样/保持器的关系n5.5 采样/保持器集成芯片n5.6 使用中应注意的问题第第5章章 采样采样/保持器保持器5.3.1 采样采样/保持器的类型保持器的类型 按结构分为两种类型：按结构分为两种类型： 1. 串联型采样串联型采样/保持器保持器Ui -+A1KUK -+A2CH模拟地模拟地UO串联型采样串联型采样/保持器的结构保持器的结构A1和和A2分别是输入和输出缓冲放大器，用以提高采样分别是输入和输出缓冲放大器，用以提高采样/保保持器的输入阻抗，减小输出阻抗，以便与信号源和负载连持器的输入阻抗，减小输出阻抗，以便与信号源和负载连接。接。5.3.1 采样采样/保持器的类型保持器的类型 按结构分为两

11、种类型：按结构分为两种类型： 1. 串联型采样串联型采样/保持器保持器Ui -+A1KUK -+A2CH模拟地模拟地UO串联型采样串联型采样/保持器的结构保持器的结构K是模拟开关，由控制信号电压是模拟开关，由控制信号电压UK控制其断开或闭合控制其断开或闭合。CH是保持电容器是保持电容器。 按结构分为两种类型：按结构分为两种类型： 1. 串联型采样串联型采样/保持器保持器Ui -+A1KUK -+A2CH模拟地模拟地UO串联型采样串联型采样/保持器的结构保持器的结构当开关当开关K闭合时，采样闭合时，采样/ /保持器为跟踪状态。由于保持器为跟踪状态。由于A1是高增益是高增益放大器，其输出电阻和开关

12、放大器，其输出电阻和开关K K的导通电阻的导通电阻RON很小，输入信号很小，输入信号Ui通过通过A1对对CH的充电速度很快，的充电速度很快，CH的电压将跟踪的电压将跟踪Ui的变化。的变化。 5.3.1 采样采样/保持器的类型保持器的类型 按结构分为两种类型：按结构分为两种类型： 1. 串联型采样串联型采样/保持器保持器Ui -+A1KUK -+A2CH模拟地模拟地UO串联型采样串联型采样/保持器的结构保持器的结构当当K断开断开时，采样时，采样/ /保持器从跟踪状态变为保持状态，这保持器从跟踪状态变为保持状态，这时时CH没有充放电回路，在理想情况下，没有充放电回路，在理想情况下，CH的电压将一直

13、的电压将一直保持在保持在K K断开瞬间断开瞬间Ui的最终值上。的最终值上。 5.3.1 采样采样/保持器的类型保持器的类型 优点：优点：结构简单。结构简单。缺点：缺点： l其失调电压为两个运放失调电压其失调电压为两个运放失调电压之和，比较大，影响到采样之和，比较大，影响到采样/ /保持保持器的精度。器的精度。l跟踪速度也较低。跟踪速度也较低。按结构分为两种类型：按结构分为两种类型： 1. 串联型采样串联型采样/保持器保持器5.3.1 采样采样/保持器的类型保持器的类型 u其输出电压反馈到输入端，使其输出电压反馈到输入端，使A1和和A2共同组成一个跟随器。共同组成一个跟随器。 u开关开关K1和和

14、K2有互补的关系：有互补的关系： K1闭合，闭合，K2断开断开; ;K1断开，断开，K2闭合闭合; ;反馈型采样反馈型采样/保持器的结构保持器的结构Ui -+A1- +eOS1 -+A2CH模拟地模拟地- +eOS2K1UKUCUORK22. 反馈型采样反馈型采样/保持器保持器A1的输入的输入失调电压失调电压A2的输入的输入失调电压失调电压5.3.1 采样采样/保持器的类型保持器的类型 反馈型采样反馈型采样/保持器的结构保持器的结构Ui -+A1- +eOS1 -+A2CH模拟地模拟地- +eOS2K1UKUCUORK2u 当当K1闭合，闭合，K2断开时，断开时，OS2OS1iCeeUU2.

15、反馈型采样反馈型采样/保持器保持器此时，保持电容此时，保持电容CH的端电压为：的端电压为： A1和和A2共同组成一个跟随器，采样共同组成一个跟随器，采样/ /保持器工作于跟踪状态。保持器工作于跟踪状态。5.3.1 采样采样/保持器的类型保持器的类型 5.3.1 采样采样/保持器的类型保持器的类型 反馈型采样反馈型采样/保持器的结构保持器的结构Ui -+A1- +eOS1 -+A2CH模拟地模拟地- +eOS2K1UKUCUORK2u 当当K1断开，断开，K2闭合时，闭合时，2. 反馈型采样反馈型采样/保持器保持器此时，此时，CH的端电压保持在的端电压保持在K1断开瞬间断开瞬间UC的值上，则：的

16、值上，则：采样采样/ /保持器工作于保持状态。保持器工作于保持状态。OS1iOS2CoeUeUU在保持状态，在保持状态，K2闭合，放大器闭合，放大器A1的的输出仍在跟踪输入，避免输出仍在跟踪输入，避免A1开环而开环而进入饱和，使得当采样进入饱和，使得当采样/保持器再次保持器再次转入跟踪状态时，转入跟踪状态时，A1能立即跟踪能立即跟踪U1.优点：优点： 采样采样/ /保持精度高：保持精度高：原因是只有原因是只有eOS1影响精度。影响精度。跟踪速度快：跟踪速度快：因为是全反馈，直接把输出因为是全反馈，直接把输出U0与与输入输入Ui比较，如果比较，如果U0Ui，则其，则其差被差被A1放大，迅速对放大

17、，迅速对CH充电。充电。缺点：缺点：u 结构复杂。结构复杂。2. 反馈型采样反馈型采样/保持器保持器u u 5.3.1 采样采样/保持器的类型保持器的类型 孔径时间孔径时间tAP：保持：保持指令给出瞬间到模指令给出瞬间到模拟开关有效切断所拟开关有效切断所经历的时间。经历的时间。 5.3.2 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数1. 孔径时间孔径时间tAPu 模拟开关从闭合到完模拟开关从闭合到完全断开需要一定时间，全断开需要一定时间，当接到保持指令时，采当接到保持指令时，采样样/保持器的输出并不保保持器的输出并不保持在指令发出瞬时的输持在指令发出瞬时的输入值上，而是会跟着输入值上，

18、而是会跟着输入变化一段时间；入变化一段时间；tU孔径误差孔径误差保持保持跟踪跟踪保持指令发出时刻保持指令发出时刻tAPtST保持保持采样保持全过程采样保持全过程5.3.2 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数保持建立时间保持建立时间tSTu 在在tAP后的输出还有后的输出还有一段波动，经过一一段波动，经过一定时间后才保持稳定时间后才保持稳定。定。tST：由：由t tAPAP开始，到开始，到输出在规定的误差输出在规定的误差带内达到稳定所需带内达到稳定所需要的时间；要的时间；u 由于孔径时间的存由于孔径时间的存在，采样在，采样/保持器实际保保持器实际保持的输出值与希望的输持的输出值与

19、希望的输入值之间存在一定的误入值之间存在一定的误差，该误差称为差，该误差称为孔径误孔径误差差；tU孔径误差孔径误差保持保持跟踪跟踪保持指令发出时刻保持指令发出时刻tAPtST保持保持采样保持全过程采样保持全过程5.3.2 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数u 为了量化的准确，为了量化的准确，应在发出保持指令应在发出保持指令后延迟一段时间，后延迟一段时间，再启动再启动A/D转换。转换。u 孔径时间只是使采样孔径时间只是使采样时刻延迟，如果每次采时刻延迟，如果每次采样的延迟时间都相同，样的延迟时间都相同，则对总的采样结果的精则对总的采样结果的精确性不会有影响。改变确性不会有影响。改

20、变保持指令发出时间，即保持指令发出时间，即可消除孔径时间。可消除孔径时间。tU孔径误差孔径误差保持保持跟踪跟踪保持指令发出时刻保持指令发出时刻tAPtST保持保持采样保持全过程采样保持全过程孔径不定孔径不定tAP：孔径：孔径时间的变化范围。时间的变化范围。 2. 孔径不定孔径不定tAP采样保持全过程采样保持全过程tU孔径误差孔径误差保持保持跟踪跟踪保持指令发出时刻保持指令发出时刻tAPtST保持保持tAPu 若孔径时间在变化，若孔径时间在变化，则对精度会造成影则对精度会造成影响；响；u 尤其，在高速采集尤其，在高速采集系统中孔径时间的系统中孔径时间的变化影响很大。变化影响很大。5.3.2 采样

21、采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数tAC：指当采样：指当采样/ /保保持器从保持状态转持器从保持状态转到跟踪状态时，输到跟踪状态时，输出电压开始跟踪输出电压开始跟踪输入电压，并达到误入电压，并达到误差范围内所需要的差范围内所需要的最小时间。最小时间。3. 捕捉时间捕捉时间tACtU孔径误差孔径误差保持保持跟踪跟踪保持指令发出时刻保持指令发出时刻tAPtST保持保持采样保持全过程采样保持全过程tAPtACu tAC与规定误差范与规定误差范围、保持电容围、保持电容CH的大小有关。的大小有关。5.3.2 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数3. 捕捉时间捕捉时间tACu 捕

22、捉时间不影响采样捕捉时间不影响采样精度，但对采样频率精度，但对采样频率的提高有影响；的提高有影响；tU孔径误差孔径误差保持保持跟踪跟踪保持指令发出时刻保持指令发出时刻tAPtST保持保持采样保持全过程采样保持全过程tAPtACu 如果在保持状态时的如果在保持状态时的输出为输出为-FSR，而在，而在保持状态结束时输入保持状态结束时输入已变至已变至+FSR，则所，则所需的捕捉时间最长。需的捕捉时间最长。而这就是产品手册上而这就是产品手册上给出的给出的tAC值。值。5.3.2 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数当采样当采样/ /保持器处在保持器处在保持状态时，由于保持状态时，由于漏电

23、流使保持电压漏电流使保持电压值下降，下降值随值下降，下降值随保持时间增大而增保持时间增大而增加，常用保持电压加，常用保持电压的下降率来表示。的下降率来表示。4. 保持电压的下降保持电压的下降5.3.2 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数tU孔径误差孔径误差保持保持跟踪跟踪保持指令发出时刻保持指令发出时刻tAPtST保持保持采样保持全过程采样保持全过程tAPtACtACUt保持电压保持电压的下降的下降当采样当采样/ /保持器处在保持状态时，由于漏电流使保持电压值下保持器处在保持状态时，由于漏电流使保持电压值下降，下降值随保持时间增大而增加，常用保持电压的下降率降，下降值随保持时间

24、增大而增加，常用保持电压的下降率来表示。来表示。4. 保持电压的下降保持电压的下降)pF()pA()s/V(HCITU保持电压的保持电压的下降率：下降率：保持电容保持电容CH的漏电流的漏电流u 为了使保持状态的保持电压的变化率不超为了使保持状态的保持电压的变化率不超过允许范围，须选用优质电容。过允许范围，须选用优质电容。u 增加增加CH的值可使保持电压的变化率不大，的值可使保持电压的变化率不大，但将使跟踪的速度下降。但将使跟踪的速度下降。5.3.2 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数馈送馈送：指在保持状态时，输入电压：指在保持状态时，输入电压Ui的交流分的交流分量通过开关量通过

25、开关K的寄生电容的寄生电容CS加到加到CH上，使得上，使得Ui的变化引起输出电压的变化引起输出电压UO的微小变化。的微小变化。5. 馈送馈送(Feed through)馈送的通路Ui -+A2CHUOCSKUC增大保持电容器增大保持电容器CH有利于减少馈送，但不利于采样频有利于减少馈送，但不利于采样频率的提高。率的提高。5.3.2 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数跟踪到保持的偏差跟踪到保持的偏差：跟：跟踪最终值与建立保持状踪最终值与建立保持状态时的保持值之间的偏态时的保持值之间的偏差电压。差电压。该误差与输入信号有该误差与输入信号有关，是一个不可预估关，是一个不可预估的误差。

26、的误差。 6. 跟踪到保持的偏差跟踪到保持的偏差tU保持保持跟踪跟踪保持指令发出时刻保持指令发出时刻tAPtST保持保持tAP跟踪到保跟踪到保持的偏差持的偏差5.3.2 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数7. 电荷转移偏差电荷转移偏差 在保持状态时，电荷通过开关在保持状态时，电荷通过开关K的寄生的寄生电容转移到保持电容器上引起的误差。电容转移到保持电容器上引起的误差。采样采样/保持器的开关为场效应管，栅、漏极间存在寄生电容。保持器的开关为场效应管，栅、漏极间存在寄生电容。在保持指令发出时，栅极电位有一个大的变化，使一个显在保持指令发出时，栅极电位有一个大的变化，使一个显著的电荷

27、通过寄生电容转移到保持电容器上。著的电荷通过寄生电容转移到保持电容器上。 增大增大CH有利于减少电荷有利于减少电荷转移偏差，但也增大了转移偏差，但也增大了响应时间。响应时间。5.3.2 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数由以上讨论可以看出，由以上讨论可以看出，采样采样/ /保持器的性能保持器的性能在很大在很大程度上取决于程度上取决于保持电容器的质量保持电容器的质量。因此，应该选择。因此，应该选择优质电容器。优质电容器。选择保持电容器，重点考虑：选择保持电容器，重点考虑：u 绝缘电阻绝缘电阻：减少电容漏电流；：减少电容漏电流；u 介质吸收介质吸收：对保持电压有影响。：对保持电压有

28、影响。如果对一个电容器充电到一定电压如果对一个电容器充电到一定电压Ue，然后对它短路放电一定时间后再开路，然后对它短路放电一定时间后再开路，电容器上的电压将从零往电容器上的电压将从零往Ue方向缓变。方向缓变。电容器表现出来的电容器表现出来的“电压记忆电压记忆”特性特性称为电容器的称为电容器的介质吸收介质吸收。0U5V-5V保持保持 跟踪跟踪 保持保持介质吸收介质吸收误差误差电容器的介质吸收电容器的介质吸收5.3.2 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数在选择电容时，容量大小要适宜，以保证在选择电容时，容量大小要适宜，以保证其时间常数适中，并选用泄漏小的电容。其时间常数适中，并选用

29、泄漏小的电容。综上所述综上所述: :保持电容器电容量的大小它不是一个定保持电容器电容量的大小它不是一个定值值, ,它可以在一定范围内取值。其电容量的大小确它可以在一定范围内取值。其电容量的大小确定可以根据实践经验通过实验来确定。一般选定可以根据实践经验通过实验来确定。一般选100pF-1000pF之间。电容选聚四氟乙烯电容或聚之间。电容选聚四氟乙烯电容或聚苯乙烯电容，绝缘阻抗高，漏电流小。苯乙烯电容，绝缘阻抗高，漏电流小。5.3.2 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数n5.1 概述概述n5.2 采样采样/保持器的工作原理保持器的工作原理n5.3 类型和主要性能参数类型和主要性能

30、参数n5.4 采集速率与采样采集速率与采样/保持保持器的关系器的关系n5.5 采样/保持器集成芯片n5.6 使用中应注意的问题第第5章章 采样采样/保持器保持器直接用直接用A/D转换器对模拟信号进行转换：转换器对模拟信号进行转换：如果模拟信号不经过采样如果模拟信号不经过采样/保持器而直接输入保持器而直接输入A/D转换器，系统转换器，系统允许该模拟信号的变化率就得降低。要保证允许该模拟信号的变化率就得降低。要保证A/D转换的精度转换的精度,必必须确保须确保A/D转换过程中模拟信号的变化量不得大于转换过程中模拟信号的变化量不得大于LSB/2。任何一种任何一种A/D转换器都需要转换器都需要一定的转换

31、时间来完成量化一定的转换时间来完成量化和编码等过程。设转换时间和编码等过程。设转换时间为为tCONV 。如果在转换时间内，。如果在转换时间内，输入的模拟信号仍在变化，输入的模拟信号仍在变化，此时进行量化就会产生一定此时进行量化就会产生一定误差。误差。对正弦信号对正弦信号 采样：采样：Ui=Um2sinttUUi=Um2sintUm2直接用直接用A/D转换器对模拟信号进行转换转换器对模拟信号进行转换:tUm2tUU正弦信号的最大变化率正弦信号的最大变化率Ui=Um2sint模拟信号电压的最大变化率模拟信号电压的最大变化率发生在正弦信号过零时：发生在正弦信号过零时：在过零处tUtUcos21ddm

32、maxi由于在正弦信号过零时由于在正弦信号过零时， 所以：所以：mmmaxi21ddUfUtU,|cos()| 1tnn tUm2tUU正弦信号的最大变化率正弦信号的最大变化率Ui=Um2sint而在而在A/D转换时间转换时间tCONV内内，输入的正弦信号电压最大变化率输入的正弦信号电压最大变化率可能为：可能为：iiCONVmaxCONVmddUUtttf U由此可得出：由此可得出： CONVmitfUU直接用直接用A/D转换器对模拟信号进行转换转换器对模拟信号进行转换:tUm2tUU正弦信号的最大变化率正弦信号的最大变化率Ui=Um2sint如果一个如果一个n位的位的A/D转换器，满量程电压

33、为转换器，满量程电压为FSR=Um，则它，则它的的“量化单位量化单位”LSB所代表的电压所代表的电压Ui=Um/2n。CONV12nftiCONVmm2mnUUf tUU直接用直接用A/D转换器对模拟信号进行转换转换器对模拟信号进行转换:如果在转换时间如果在转换时间tCONV内内，允允许的电压的最大变化不超过许的电压的最大变化不超过1LSB所代表的电压所代表的电压，则系统则系统可采集的最高信号频率为：可采集的最高信号频率为：tUm2tUU正弦信号的最大变化率正弦信号的最大变化率Ui=Um2sint如果允许正弦信号电压变化如果允许正弦信号电压变化0.5LSB，则系统可采集的，则系统可采集的最高信

34、号频率为：最高信号频率为：CONV1max21tfn系统可采集的最高信号频系统可采集的最高信号频率受率受A/D转换器的位数和转换器的位数和转换时间的限制。转换时间的限制。直接用直接用A/D转换器对模拟信号进行转换转换器对模拟信号进行转换:已知已知A/D转换器的型号为转换器的型号为ADC0804，其转换其转换时间时间tCONV=100 s（时钟频率为时钟频率为640kHz），），位位数数n = 8，允许信号变化为允许信号变化为LSB/2，计算系统可，计算系统可采集的最高信号频率。采集的最高信号频率。解：解：例子：例子：)Hz(22. 61010014. 32121618CONV1maxtfn该系

35、统无采样该系统无采样/ /保持器，只能对频率低于保持器，只能对频率低于6.22Hz的信号进行采样。的信号进行采样。如果在如果在A/D转换器的前面加一个采样转换器的前面加一个采样/保持器，这样保持器，这样就变成在就变成在t = tAP+tST内讨论系统可采集模拟信号内讨论系统可采集模拟信号的最高频率的最高频率。则系统可采集的信号最高频率为：则系统可采集的信号最高频率为：LSBU1maxAPST1(Hz)2()nftt：LSBU21max1APST1(Hz)2()nftt：因为因为tAP+tST一般远远小于一般远远小于A/D转换器的转换时间转换器的转换时间tCONV，所以，有采样，所以，有采样/

36、/保持器的系统可采集的信号保持器的系统可采集的信号最高频率要大于未加采样最高频率要大于未加采样/ /保持器的系统。保持器的系统。解：解：使用采样使用采样/保持器之后，系统能对频率不高于保持器之后，系统能对频率不高于12.44kHz的信号进行采样，使系统可采集的信的信号进行采样，使系统可采集的信号频率提高了很多倍，大大改善了采样速率。号频率提高了很多倍，大大改善了采样速率。用采样用采样/保持器芯片保持器芯片AD582和和A/D转换器芯片转换器芯片ADC0804组成一个采集系统组成一个采集系统。已知已知AD582的的孔径时间孔径时间tAP =50ns，ADC0804的转换时间的转换时间 tCONV

37、 =100 s（时钟频率为时钟频率为640kHz），），计算计算系统可采集的最高信号频率。系统可采集的最高信号频率。 )kH(44.12105014. 32121918AP1maxztfn例子：例子：根据采样定理，采集一个有限带宽的模拟信号，根据采样定理，采集一个有限带宽的模拟信号，采样频率至少应采样频率至少应两倍于两倍于最高信号频率。最高信号频率。 这意味着带采样这意味着带采样/ /保持器的数据采集系统能处保持器的数据采集系统能处理的最高输入信号频率应为：理的最高输入信号频率应为：maxACCONVAP12()STftttttAC：采样：采样/保持器的捕捉时间；保持器的捕捉时间；tAP：采样

38、：采样/保持器的最大孔径时保持器的最大孔径时tST：采样：采样/保持器的保持建立时间；保持器的保持建立时间；tCONV：A/D转换器的转换时间。转换器的转换时间。tAP与与tAC、tCONV相比，可以忽略。相比，可以忽略。数据采集系统能够采集的信号的最高频率既要数据采集系统能够采集的信号的最高频率既要受到采样受到采样/ /保持器的孔径时间保持器的孔径时间tAP和采样精度和采样精度n的限制，也要受到采样定理的限制。的限制，也要受到采样定理的限制。用采样用采样/保持器芯片保持器芯片AD582和和A/D转换器芯片转换器芯片ADC0804组成一个采集系统组成一个采集系统。已知已知AD582的捕的捕捉时

39、间捉时间tAC=6 s，孔径时间，孔径时间tAP =50ns，ADC0804的转换时间的转换时间 tCONV =100 s（时钟频率为时钟频率为640kHz），），计算系统可采集的最高信号频率。计算系统可采集的最高信号频率。 )kH(72. 410100106212166maxzttfCONVAC解：解：例子：例子：n5.1 概述概述n5.2 采样采样/保持器的工作原理保持器的工作原理n5.3 类型和主要性能参数类型和主要性能参数n5.4 采集速率与采样采集速率与采样/保持器的关系保持器的关系n5.5 采样采样/保持器集成芯片保持器集成芯片n5.6 使用中应注意的问题第第5章章 采样采样/保持

40、器保持器目前，采样目前，采样/ /保持器大多数是集成在一块芯片，保持器大多数是集成在一块芯片，芯片内不包含保持电容器，保持电容器是由用芯片内不包含保持电容器，保持电容器是由用户根据需要自选并外接在芯片上。户根据需要自选并外接在芯片上。种类芯片主要指标、用途通用型AD582, AD583, LF198, LF398TAC在几us,TAP为几十至100多ns;高速型THS-0025, THS-0060,THC-0030, THC-1500TAC、TAP均为20-30ns高分辨率型SHA1144为14位分辨率设计u AD582是通用型采样是通用型采样/保保持器持器(国产型号国产型号5G582)。 1

41、234567891011121314+INNULLOUTPUT-INCHNCNCNCNC+SU-SUL+L-AD582AD582管脚及结构示意管脚及结构示意5.5.1 AD582的实用电路的实用电路1234567891011121314+INNULLOUTPUT-INCHNCNCNCNC+SU-SUL+L-AD582AD582管脚及结构示意管脚及结构示意u其中脚其中脚1是同相输入端，是同相输入端，脚脚9是反相输入端，保是反相输入端，保持电容持电容CH接在脚接在脚6与脚与脚8之间，脚之间，脚10和脚和脚5是正是正负电源，脚负电源，脚11和脚和脚12是是逻辑控制端，脚逻辑控制端，脚3和脚和脚4接直

42、流调零电位器，脚接直流调零电位器，脚2，7，13，14为空脚为空脚(Nc)。 5.5.1 AD582的实用电路的实用电路AD582的特性如下：的特性如下：u 有较短的信号有较短的信号捕捉时间捕捉时间，最短达，最短达6 s；u 有较高的有较高的采样采样/保持电流比保持电流比，可达，可达107；u 有较高的输入阻抗，约有较高的输入阻抗，约30M；u 输入信号电平可为电源电压输入信号电平可为电源电压US；u 具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力；高了抗干扰能力；u 具有差动的逻辑输入端；具有差动的逻辑输入端；u AD582可与任何独立的运算放大器连接

43、。可与任何独立的运算放大器连接。该时间与所选的该时间与所选的保持电容有关保持电容有关保持电容器充电电流与保持电容器充电电流与保持模式时电容漏电流保持模式时电容漏电流之间的比值之间的比值L+相对相对L-的输入电压在的输入电压在-6V0.8V时，处于跟踪模式，时，处于跟踪模式，L+相对于相对于L-的偏置为的偏置为+2V+US-3V之间时，处之间时，处于保持模式。于保持模式。5.5.1 AD582的实用电路的实用电路数字地1345689101112CHRLUiA1oU2A+-=2k+15V-15V0.05uF10k模拟地AD582AD582实用电路（一）实用电路（一）u是反馈型采样是反馈型采样/保保

44、持器，增益为持器，增益为1，输，输出不反相的连接线出不反相的连接线路。保持电容接在路。保持电容接在运放的输出端运放的输出端（脚脚8）与反相输入端与反相输入端（脚脚6）之间之间。u根据根据“密勒效密勒效应应”，这样的接法，这样的接法相当于相当于在在A2的输入的输入端接有电容端接有电容CH=(1+A2)CH。调零电调零电位器位器密勒效应：密勒效应：反相放大电路中，输入与输出反相放大电路中，输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用，其等效到输入端大器的放大作用，其等效到输入端的电容值会扩大的电容值会扩大1+K倍，其中倍，其中K是是该级放大电路电压放大倍数。

45、该级放大电路电压放大倍数。坏处：坏处：密勒电容对器件的频率特性有直接密勒电容对器件的频率特性有直接的影响。的影响。 好处：好处：1. 采用较小的电容来获得较大的电采用较小的电容来获得较大的电容，这种技术在容，这种技术在IC设计中具有重要设计中具有重要的意义（可以减小芯片面积）；的意义（可以减小芯片面积）；2. 获得可控电容获得可控电容 (例如受电压或电例如受电压或电流控制的电容流控制的电容) 。 5.5.1 AD582的实用电路的实用电路数字地1345689101112CHRLUiA1oU2A+-=2k+15V-15V0.05uF10k模拟地AD582AD582实用电路（一）实用电路（一）u所

46、以只需要外接所以只需要外接较小的电容，因此较小的电容，因此可获得较高的采样可获得较高的采样速率速率u当精度要求不太当精度要求不太高高（0.1%）而速而速度要求较高时度要求较高时，可可选选CH = 100pF，这这时的捕捉时间时的捕捉时间tAC6 s。u当精度要求较高当精度要求较高（0.01%）时时，为减小馈送的影响为减小馈送的影响和减缓保持电压的和减缓保持电压的下降，应取下降，应取CH = 1000pF 。5.5.1 AD582的实用电路的实用电路数字地1345689101112CHRLUiA1oU2A+-=2k+15V-15V0.05uF10k模拟地AD582AD582实用电路（二）实用电路

47、（二）RFR1输出不反相电输出不反相电路，电路增益路，电路增益可由外接电阻可由外接电阻来选择：来选择：)1 (1FRRK5.5.1 AD582的实用电路的实用电路uLF198也是反也是反馈型采样馈型采样/保持保持器，用二极管器，用二极管D1、D2代替模代替模拟开关拟开关K2。u当处于跟踪状当处于跟踪状态时，态时，U0=UI, D1，D2均不导均不导通。当处于保通。当处于保持状态时，持状态时，D1或或D2之一导通之一导通LF198的结构的结构5.5.2 LF198(LF298, LF398)LF198的结构的结构uLF198的供电电的供电电压为压为5V18V。控制电压控制电压UK为为TTL电平，

48、当电平，当UK1.4V时，时，LF198处于跟踪处于跟踪状态，当状态，当UK负负跳变跳变(从从“1”变变为为“0”)时，转时，转向保持状态。向保持状态。 5.5.2 LF198(LF298, LF398)uLF198可外接可外接电位器作直流电位器作直流和交流的凋零和交流的凋零u直流凋零是补直流凋零是补偿运算放大器偿运算放大器的失调电压，的失调电压，与一般运放的与一般运放的调零相同。调零相同。LF198的结构的结构直流调零直流调零5.5.2 LF198(LF298, LF398)LF198的结构的结构直流调零直流调零交流调零交流调零u交流调零方法是交流调零方法是把模拟开关的控制把模拟开关的控制电

49、压电压UK加到一反相加到一反相器上，在反相器的器上，在反相器的输入与输出间接了输入与输出间接了一个一个10k欧姆电位欧姆电位器，电位器的中心器，电位器的中心抽头经抽头经10pF小电容小电容与保持电容与保持电容Cu端连端连接，这是用以补偿接，这是用以补偿Uo跳变时加到跳变时加到CH上上的脉冲。的脉冲。5.5.2 LF198(LF298, LF398)n5.1 概述概述n5.2 采样采样/保持器的工作原理保持器的工作原理n5.3 类型和主要性能参数类型和主要性能参数n5.4 采集速率与采样采集速率与采样/保持器的关系保持器的关系n5.5 采样采样/保持器集成芯片保持器集成芯片n5.6 使用中应注意

50、的问题使用中应注意的问题第第5章章 采样采样/保持器保持器5.6.1 采样采样/保持器选用时应注意的问题保持器选用时应注意的问题每一次数据采集过程都包括一次采样和一次每一次数据采集过程都包括一次采样和一次A/D转换，所转换，所以采样以采样/保持器和保持器和A/D转换器各完成一次动作所需时间之和转换器各完成一次动作所需时间之和应小于采样周期应小于采样周期Ts。ACSTCONVSAPttttT捕捉时间捕捉时间保持建立时间保持建立时间A/D转换时间转换时间tAC与规定误差范围有关。因此，与规定误差范围有关。因此，tAC的大小应与的大小应与A/D转换器的精度配合。同时，转换器的精度配合。同时， tAC

51、也与采样也与采样/保保持器所选保持电容持器所选保持电容CH的大小有关。的大小有关。孔径时间孔径时间8位位A/D转换器的精度等于转换器的精度等于2-8=1/256=0.39%，与之相，与之相配的采样配的采样/保持器的误差带可取为保持器的误差带可取为0.2%(0.1%)。AD582在在CH=10pF时，可达到该精度，时，可达到该精度，tAC =6 s。12位的位的A/D转换器，精度等于转换器，精度等于2-12100% = 0.024%, 则应取采样则应取采样/保持器的误差带为保持器的误差带为0.01%(0.005%)。AD582在在CH = 1000pF时，可达到该精度，时，可达到该精度，tAC=

52、25 s5.6.1 采样采样/保持器选用时应注意的问题保持器选用时应注意的问题u 保持电压下降率对保持电压下降率对A/D转换器输入端的电压转换器输入端的电压稳定度的影响。稳定度的影响。为了保证数据采集精度，应使在为了保证数据采集精度，应使在A/D转换时间转换时间tCONV内，采样内，采样/ /保持器的保持电压下降不超过保持器的保持电压下降不超过LSB/2，即保持电压下降率为：，即保持电压下降率为： CONV21ddtLSBtU)pF()pA()s/V(HCITU然后根据如下公然后根据如下公式校核式校核CH的值：的值：保持电容保持电容CH的漏电流的漏电流根据根据LSB可以可以定出定出dU/dt5

53、.6.1 采样采样/保持器选用时应注意的问题保持器选用时应注意的问题u 孔径时间与精度、信号的最大变化率的关系。孔径时间与精度、信号的最大变化率的关系。设输入信号的最大变化率为设输入信号的最大变化率为(dUi/dt)max, ,允许的孔允许的孔径误差小于径误差小于LSB/2，则孔径时间，则孔径时间tAP应满足下式：应满足下式： LSBtdtdUi21APmaxmaxAP)/(2dtdULSBti或或5.6.1 采样采样/保持器选用时应注意的问题保持器选用时应注意的问题5.6.2 电路设计中应注意的问题电路设计中应注意的问题1. 接地接地采样采样/保持器是一种由模拟电路与数字电路混合保持器是一种

54、由模拟电路与数字电路混合而成的集成电路，一般有分离的模拟地和数字地而成的集成电路，一般有分离的模拟地和数字地引脚。引脚。目的：目的：避免数字电路的突变电流对模拟电路的影避免数字电路的突变电流对模拟电路的影响。响。方法：方法：将模拟地与数字地分别用引线接到模拟电将模拟地与数字地分别用引线接到模拟电源和数字电源的参考点上。源和数字电源的参考点上。LF198模拟输入模拟输入3U+1U-45输出输出6CH78逻辑信号输入逻辑信号输入0V5VLF198采样采样/保持逻辑保持逻辑原因：原因：当进入保持模式时，逻当进入保持模式时，逻辑输入信号会通过印刷电路板辑输入信号会通过印刷电路板布线间的漏电流耦合到模拟

55、输布线间的漏电流耦合到模拟输入端而引起保持误差。入端而引起保持误差。2. 漏电耦合的影响漏电耦合的影响当逻辑信号端输入一个快速上升当逻辑信号端输入一个快速上升的逻辑输入信号使采样的逻辑输入信号使采样/ /保持器保持器进入保持模式时，如果不采取其进入保持模式时，如果不采取其它相应措施，则将引起保持误差。它相应措施，则将引起保持误差。特别是对于高阻抗的信号源，保特别是对于高阻抗的信号源，保持误差尤其突出。持误差尤其突出。5.6.2 电路设计中应注意的问题电路设计中应注意的问题LF198模拟输入模拟输入3U+1U-45输出输出6CH78逻辑信号输入逻辑信号输入0V5VLF198采样采样/保持逻辑保持逻辑2. 漏电耦合的影响漏电耦合的影响解决方法：解决方法： u 印刷电路板布线时，应印刷电路板布线时，应使逻辑输入端的走线尽使逻辑输入端的走线尽可能远离与模拟输入端可能远离与模拟输入端u 将模拟信号输入端用地将模拟信号输入端用地线包围起来，以隔断漏线包围起来，以隔断漏电流的通路。电流的通路。u 降低逻辑输入信号的幅降