第5章-3采样保持器原理与应用

5.1概述5.2采样/保持器的工作原理5.3类型和主要性能参数第5章补充采样／保持器5.4采集速率与采样/保持器的关系5.5测量放大器的使用5.5测量放大器的使用5.1概述第5章采样／保持器问题：模拟信号进行

A／D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。解决方法：采用一种器件，在A／D转换时保持住输入信号电平，在A／D转换结束后跟踪输入信号的变化。这种功能的器件就是采样／保持器。第5章采样／保持器

完整的模拟信号数字化链路0101101…模拟信号采样保持量化数码流第5章采样／保持器5.2采样／保持器的工作原理采样／保持器的一般结构形式如图5.1所示。模拟信号UiK驱动信号ACH模拟地UO图5.1采样／保持器的一般结构形式5.2

采样／保持器的工作原理组成模拟开关K电容CH缓冲放大器A在t1时刻前，控制电路的驱动信号为高电平时，模拟开关K

闭合，模拟输入信号Ui

通过模拟开关加到电容CH上，使得CH端电压UC

跟随Ui变化而变化。在t1时刻，驱动信号为低电平，模拟开关K断开，此时电容CH

上的电压UC

保持模拟开关断开瞬间的Ui

值不变并等待A／D转换器转换。5.2

采样／保持器的工作原理工作原理如下：t控制信号t模拟输入At采样输出跟踪t1A2t2A1t3保持A3t4A图5.2采样／保持器工作原理而在t2时刻，保持结束，新一个跟踪时刻到来，此时驱动信号又为高电平，模拟开关K

重新闭合，

CH

端电压UC又跟随Ui变化而变化；t3时刻，驱动信号为低电平时，模拟开关K断开，......。5.2

采样／保持器的工作原理从以上讨论可知：

采样／保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件。

5.2

采样／保持器的工作原理它具有两个稳定的工作状态：跟踪状态

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号的变化，一直到接到保持指令为止。保持状态

对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。5.2

采样／保持器的工作原理采样／保持器主要起以下两种作用：“稳定”快速变化的输入信号，以减少转换误差。用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。第5章采样／保持器5.3采样／保持器的类型和主要性能参数

1.采样／保持器的类型

串联型采样／保持器的结构如图5.3。5.3

采样／保持器的类型和主要性能参数

A1和A2分别是输入和输出缓冲放大器，用以提高采样／保持器的输入阻抗，减小输出阻抗，以便与信号源和负载连接。

K是模拟开关，由控制信号电压UK控制其断开或闭合。CH是保持电容器。Ui

-+A1KUK

-+A2CH模拟地UO图5.3串联型采样／保持器的结构5.3

采样／保持器的类型和主要性能参数

孔径时间tAP——保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。如图5.5所示。2.采样／保持器的主要性能参数孔径时间tAP(ApertureTime)捕捉时间孔径不定5.3

采样／保持器的类型和主要性能参数

由图5.5可知，在tAP后的输出还有一段波动，经过一定时间tST后才保持稳定。tU孔径误差实际输出希望的输出模拟信号保持跟踪保持指令发出时刻tAP△tAPtACtST保持图5.5采样／保持全过程

为了量化的准确，应在发出保持指令后延迟一段时间，再启动A／D转换。5.3

采样／保持器的类型和主要性能参数

由于孔径时间的存在，而产生孔径误差—

采样／保持器实际保持的输出值与希望输出值之差。孔径不定△tAP

孔径不定△tAP—孔径时间的变化范围。孔径时间使采样时刻延迟。5.3

采样／保持器的类型和主要性能参数

如果延迟时间不变，则对总的采样结果的精确性不会有太大影响。

但若孔径时间在变化，则对精度就会有影响。捕捉时间tAC

捕捉时间—

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。5.3

采样／保持器的类型和主要性能参数

捕捉时间不影响采样精度，但对采样频率的提高有影响。5.3

采样／保持器的类型和主要性能参数

保持电压的下降

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降，下降值随保持时间增大而增加，常用保持电压的下降率来表示：式中

I——保持电容CH的漏电流。5.3

采样／保持器的类型和主要性能参数

跟踪到保持的偏差

跟踪到保持的偏差—

跟踪最终值与建立保持状态时的保持值之间的偏差电压。

该误差与输入信号有关，是一个不可预估的误差。5.3

采样／保持器的类型和主要性能参数

由以上讨论可以看出，采样／保持器的性能在很大程度上取决于保持电容器的质量。因此，应该选择优质电容器。第5章采样／保持器5.4系统采集速率与采样／保持器的关系

首先讨论不用采样／保持器，而直接用A／D转换器对模拟信号进行转换的情况。设模拟信号如图5.8所示。5.4系统采集速率与采样／保持器的关系0101…ADC0804DAC0832在没有保持器的情况下，若欲输出信号无损，输入信号频率界限几何？Ui=Um2sinωt5.4

系统采集速率与采样／保持器的关系

对正弦信号采样，在△t内，模拟信号电压的最大变化率发生在正弦信号过零时，tUm2△t△UU图5.8正弦信号的最大变化率5.4

系统采集速率与采样／保持器的关系

由于在正弦信号过零时，ωt=±nπ，|cos(±nπ)|=1，所以则5.4

系统采集速率与采样／保持器的关系

而在A／D转换时间tCONV内，输入的正弦信号电压最大变化率可能为由此可得出5.4

系统采集速率与采样／保持器的关系

如果在转换时间tCONV内，正弦信号电压的最大变化不超过1LSB所代表的电压，则在Um

=FSR(满量程范围)条件下，数据采集系统可采集的最高信号频率为5.4

系统采集速率与采样／保持器的关系如果允许正弦信号电压变化为，则系统可采集的最高信号频率为

由（5-4）、（5-5）式可看出，系统可采集的最高信号频率受A／D转换器的位数和转换时间的限制。5.4

系统采集速率与采样／保持器的关系【例5.1】已知A／D转换器的型号为ADC0804，

其转换时间tCONV=100s（时钟频率为

640kHz），位数n=8，允许信号变化为，计算系统可采集的最高信号频率。解：由式（5-5）知5.4

系统采集速率与采样／保持器的关系5.4

系统采集速率与采样／保持器的关系如果在AD前面加上采样保持器：

根据采样定理，采集一个有限带宽的模拟信号，采样频率至少应两倍于最高信号频率。

这意味着带采样／保持器的数据采集系统处理的最高输入信号频率应为

通常带有采样－保持的A/D器件的工作速度用SPS（SamplePerSecond）来描述。5.4

系统采集速率与采样／保持器的关系

同样是例5.1的ADC0804，转换时间00us,如果在前面加入采样-保持器，保持器的跟踪时间6us,孔径时间200ns，则理论上可以采集的信号的最高频率为多少？第5章采样／保持器5.5采样／保持器集成芯片

常用的集成采样／保持器有多种，因时间的关系，下面只介绍其中的两种。1.AD582AD582是通用型采样／保持器。其管脚及结构示意如图5.9所示。5.5

采样／保持器集成芯片组成高性能运放低漏电阻的模拟开关结型场效应管集成的放大器5.5

采样／保持器集成芯片AD582的特性如下：有较短的信号捕捉时间，最短达6s。有较高的采样／保持电流比，可达107。输入信号电平可为电源电压±US

。具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力。具有差动的逻辑输入端。AD582可与任何独立的运算放大器连接。5.5

采样／保持器集成芯片

由图5.10可知，AD582是反馈型采样／保持器，保持电容接在运放的输出端（脚8）与输入端（脚6）之间。

根据“密勒效应”，这样的接法相当于在A2的输入端接有电容

5.5

采样／保持器集成芯片

所以AD582外接较小的电容可