采樣保持電路PPT學(xué)習(xí)教案

1、采樣保持電路問題：問題：模擬信號進(jìn)行模擬信號進(jìn)行A AD D轉(zhuǎn)換時，從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換時，從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間，當(dāng)輸入信號頻率較高時，會造成很大間，當(dāng)輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。的轉(zhuǎn)換誤差。解決方法：解決方法：采用一種器件，在采用一種器件，在A AD D轉(zhuǎn)換時保轉(zhuǎn)換時保持住輸入信號電平，在持住輸入信號電平，在A AD D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)束后跟蹤輸入信號的變化。結(jié)束后跟蹤輸入信號的變化。采樣保持器采樣保持器：用于對模擬輸入信號進(jìn)行采樣，然：用于對模擬輸入信號進(jìn)行采樣，然后根據(jù)邏輯控制信號指令保持瞬態(tài)值，保證模數(shù)轉(zhuǎn)后根據(jù)邏輯控

2、制信號指令保持瞬態(tài)值，保證模數(shù)轉(zhuǎn)換期間以最小的衰減保持信號的一種器件。換期間以最小的衰減保持信號的一種器件。第1頁/共51頁模擬信號模擬信號UiK驅(qū)動信號驅(qū)動信號ACH模擬地模擬地UO采樣保持器的一般結(jié)構(gòu)形式采樣保持器的一般結(jié)構(gòu)形式采樣采樣/ /保持器是一種具有信號輸入、信號輸出保持器是一種具有信號輸入、信號輸出以及由外部指令控制的模擬門電路。以及由外部指令控制的模擬門電路。組成組成：模擬開關(guān)：模擬開關(guān)K、電容、電容CH和緩沖放大器和緩沖放大器A。UC第2頁/共51頁UiK驅(qū)動信號驅(qū)動信號CH模擬地模擬地UOUCAt控控制制信信號號t模模擬擬輸輸入入At采采樣樣輸輸出出跟蹤跟蹤t1A2t2A1

3、t3保持保持A3t4A采樣保持器工作原理采樣保持器工作原理跟蹤跟蹤保持保持跟蹤跟蹤u在在t1時刻前時刻前，控制電路的控制電路的驅(qū)動信號為高電平時，驅(qū)動信號為高電平時，模模擬開關(guān)擬開關(guān)K 閉合，模擬輸入閉合，模擬輸入信號信號Ui 通過模擬開關(guān)加到通過模擬開關(guān)加到電容電容CH 上，使得上，使得CH端電端電壓壓UC 跟隨跟隨Ui 變化而變化。變化而變化。工作原理如下：工作原理如下：u在在t1時刻，驅(qū)動信號為低時刻，驅(qū)動信號為低電平，模擬開關(guān)電平，模擬開關(guān)K斷開斷開，此時電容此時電容CH 上的電壓上的電壓UC 保持模擬開關(guān)斷開瞬間的保持模擬開關(guān)斷開瞬間的Ui 值不變并等待值不變并等待AD轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換換

4、器轉(zhuǎn)換。u而在而在t2時刻，保持結(jié)束，時刻，保持結(jié)束，新一個跟蹤時刻到新一個跟蹤時刻到 來，來，此時驅(qū)動信號又為高電此時驅(qū)動信號又為高電平，模擬開關(guān)平，模擬開關(guān)K 重新閉重新閉合，合， CH 端電壓端電壓UC 又跟又跟隨隨Ui 變化而變；變化而變；ut3時刻，驅(qū)動信號為低電平時，模擬開關(guān)K斷開，.。 第3頁/共51頁采樣保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀采樣保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件。態(tài)的器件。 它具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：它具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：跟蹤狀態(tài)：跟蹤狀態(tài)：在此期間它盡可能快地接收模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，并精確地跟蹤模擬輸入信

5、號的變化，一直到接擬輸入信號的變化，一直到接到保持指令為止。到保持指令為止。 保持狀態(tài)：保持狀態(tài)：對接收到保持指令前一瞬間對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進(jìn)行保持。的模擬輸入信號進(jìn)行保持。因此，采樣因此，采樣/ /保持器是在保持器是在“保持保持”命令發(fā)出的瞬間進(jìn)行命令發(fā)出的瞬間進(jìn)行采樣，而在采樣，而在“跟蹤跟蹤”命令發(fā)出時，采樣命令發(fā)出時，采樣/ /保持器跟蹤模保持器跟蹤模擬輸入量，為下次采樣做準(zhǔn)備。擬輸入量，為下次采樣做準(zhǔn)備。第4頁/共51頁采樣保持器主要起以下兩種作用：采樣保持器主要起以下兩種作用：“穩(wěn)定穩(wěn)定” 快速變化的輸入信號，以減少轉(zhuǎn)換誤差?？焖僮兓妮斎胄盘枺詼p少轉(zhuǎn)換誤差。

6、 用來儲存模擬多路開關(guān)輸出的模擬信號，以便模擬用來儲存模擬多路開關(guān)輸出的模擬信號，以便模擬多路開關(guān)切換下一個模擬信號。多路開關(guān)切換下一個模擬信號。電容電容CH對精度的影響：對精度的影響：如果電容值過大，則其時間常數(shù)大，當(dāng)模擬信號頻如果電容值過大，則其時間常數(shù)大，當(dāng)模擬信號頻率高時，由于電容充放電時間長，將會影響電容對率高時，由于電容充放電時間長，將會影響電容對輸入信號的跟蹤特性，而且在跟蹤的瞬間，電容兩輸入信號的跟蹤特性，而且在跟蹤的瞬間，電容兩端的電壓會與輸入信號電壓有一定的誤差。端的電壓會與輸入信號電壓有一定的誤差。如果電容值過小，在保持狀態(tài)時，由于電容漏電流如果電容值過小，在保持狀態(tài)時，

7、由于電容漏電流的存在或者負(fù)載內(nèi)阻太小的影響，會引起保持信號的存在或者負(fù)載內(nèi)阻太小的影響，會引起保持信號電平的變化。電平的變化。u 在選擇電容時，容量大小要適宜，以保證其時間常在選擇電容時，容量大小要適宜，以保證其時間常數(shù)適中，并選用泄露小的電容。數(shù)適中，并選用泄露小的電容。u 另外，一般在輸入端和輸出端均采用緩沖器，以減少信號源的輸出阻抗，增加負(fù)載的輸入阻抗。第5頁/共51頁1. 采樣采樣保持器的類型保持器的類型 按結(jié)構(gòu)分為兩種類型：按結(jié)構(gòu)分為兩種類型： u 串聯(lián)型采樣串聯(lián)型采樣/保持器保持器Ui -+A1KUK -+A2CH模擬地模擬地UO串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)A1和和

8、A2分別是輸入和輸出緩沖放大器，用以提高采樣保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(fù)載連持器的輸入阻抗，減小輸出阻抗，以便與信號源和負(fù)載連接。接。第6頁/共51頁1. 采樣采樣保持器的類型保持器的類型 按結(jié)構(gòu)分為兩種類型：按結(jié)構(gòu)分為兩種類型： u 串聯(lián)型采樣串聯(lián)型采樣/保持器保持器Ui -+A1KUK -+A2CH模擬地模擬地UO串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)K是模擬開關(guān)，由控制信號電壓是模擬開關(guān)，由控制信號電壓UK控制其斷開或閉合控制其斷開或閉合。CH是保持電容器是保持電容器。 第7頁/共51頁1. 采樣采樣保持器的類型保持器的

9、類型 按結(jié)構(gòu)分為兩種類型：按結(jié)構(gòu)分為兩種類型： u 串聯(lián)型采樣串聯(lián)型采樣/保持器保持器Ui -+A1KUK -+A2CH模擬地模擬地UO串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)當(dāng)開關(guān)當(dāng)開關(guān)K閉合時，采樣閉合時，采樣/ /保持器為跟蹤狀態(tài)。由于保持器為跟蹤狀態(tài)。由于A1是高增益是高增益放大器，其輸出電阻和開關(guān)放大器，其輸出電阻和開關(guān)K K的導(dǎo)通電阻的導(dǎo)通電阻RON很小，輸入信號很小，輸入信號Ui通過通過A1對對CH的充電速度很快，的充電速度很快，CH的電壓將跟蹤的電壓將跟蹤Ui的變化。的變化。 第8頁/共51頁1. 采樣采樣保持器的類型保持器的類型 按結(jié)構(gòu)分為兩種類型：按結(jié)構(gòu)分為兩種類型：

10、u 串聯(lián)型采樣串聯(lián)型采樣/保持器保持器Ui -+A1KUK -+A2CH模擬地模擬地UO串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)當(dāng)當(dāng)K斷開斷開時，采樣時，采樣/ /保持器從跟蹤狀態(tài)變?yōu)楸３譅顟B(tài)，這保持器從跟蹤狀態(tài)變?yōu)楸３譅顟B(tài)，這時時CH沒有充放電回路，在理想情況下，沒有充放電回路，在理想情況下，CH的電壓將一直的電壓將一直保持在保持在K K斷開瞬間斷開瞬間Ui的最終值上。的最終值上。 第9頁/共51頁優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單。結(jié)構(gòu)簡單。缺點：缺點： 其失調(diào)電壓為兩個運放失調(diào)電其失調(diào)電壓為兩個運放失調(diào)電壓之和，比較大，影響到采樣壓之和，比較大，影響到采樣保持器的精度。保持器的精度。 跟蹤速度也較

11、低。跟蹤速度也較低。1. 采樣采樣保持器的類型保持器的類型 按結(jié)構(gòu)分為兩種類型：按結(jié)構(gòu)分為兩種類型： u 串聯(lián)型采樣串聯(lián)型采樣/保持器保持器第10頁/共51頁u其輸出電壓反饋到輸入端，使其輸出電壓反饋到輸入端，使A1和和A2共同組成一個跟隨器。共同組成一個跟隨器。 u開關(guān)開關(guān)K1K1和和K2K2有互補的關(guān)系：有互補的關(guān)系： K1閉合，閉合，K2斷開斷開; ;K1斷開，斷開，K2閉合閉合; ;反饋型采樣保持器的結(jié)構(gòu)反饋型采樣保持器的結(jié)構(gòu)Ui -+A1- +eOS1 -+A2CH模擬地模擬地- +eOS2K1UKUCUORK21. 采樣采樣保持器的類型保持器的類型 u 反饋型采樣反饋型采樣/保持器

12、保持器A1的輸入失調(diào)電壓A2的輸入失調(diào)電壓第11頁/共51頁反饋型采樣保持器的結(jié)構(gòu)反饋型采樣保持器的結(jié)構(gòu)Ui -+A1- +eOS1 -+A2CH模擬地模擬地- +eOS2K1UKUCUORK2u 當(dāng)當(dāng)K1閉合，閉合，K2斷開時，斷開時，OS2OS1iCeeUU1. 采樣采樣保持器的類型保持器的類型 u 反饋型采樣反饋型采樣/保持器保持器此時，保持電容此時，保持電容CH的端電壓為：的端電壓為： A1和和A2共同組成一個跟隨器，采樣共同組成一個跟隨器，采樣/ /保持器工作于跟蹤狀態(tài)。保持器工作于跟蹤狀態(tài)。第12頁/共51頁反饋型采樣保持器的結(jié)構(gòu)反饋型采樣保持器的結(jié)構(gòu)Ui -+A1- +eOS1

13、-+A2CH模擬地模擬地- +eOS2K1UKUCUORK2u 當(dāng)當(dāng)K1斷開，斷開，K2閉合時，閉合時，1. 采樣采樣保持器的類型保持器的類型 u 反饋型采樣反饋型采樣/保持器保持器此時，此時，CH的端電壓保持在的端電壓保持在K1斷開瞬間斷開瞬間UC的值上，則：的值上，則：采樣采樣/ /保持器工作于保持狀態(tài)。保持器工作于保持狀態(tài)。OS1iOS2CoeUeUU在保持狀態(tài)，K2閉合，放大器A1的輸出仍在跟蹤輸入，避免A1開環(huán)而進(jìn)入飽和，使得當(dāng)采樣/保持器再次轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)時，A1能立即跟蹤Ui.第13頁/共51頁優(yōu)點：優(yōu)點： 采樣采樣/ /保持精度高：保持精度高：原因是只有原因是只有eOS1影響精度

14、。影響精度。跟蹤速度快：跟蹤速度快：因為是全反饋，直接把輸出因為是全反饋，直接把輸出U0與與輸入輸入Ui比較，如果比較，如果U0Ui，則其，則其差被差被A1放大，迅速對放大，迅速對CH充電。充電。缺點：缺點：u 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。結(jié)構(gòu)復(fù)雜。1. 采樣采樣保持器的類型保持器的類型 u 反饋型采樣反饋型采樣/保持器保持器u u 第14頁/共51頁孔徑時間孔徑時間tAP：保持：保持指令給出瞬間到模指令給出瞬間到模擬開關(guān)有效切斷所擬開關(guān)有效切斷所經(jīng)歷的時間。經(jīng)歷的時間。 2. 采樣保持器的主要性能參數(shù)采樣保持器的主要性能參數(shù)1. 孔徑時間孔徑時間tAPtU孔徑誤差孔徑誤差保持保持跟蹤跟蹤保持指令發(fā)出時刻保持指

15、令發(fā)出時刻tAPtST保持保持采樣保持全過程u 模擬開關(guān)從閉合到完模擬開關(guān)從閉合到完全斷開需要一定時間，全斷開需要一定時間，當(dāng)接到保持指令時，采當(dāng)接到保持指令時，采樣樣/保持器的輸出并不保保持器的輸出并不保持在指令發(fā)出瞬時的輸持在指令發(fā)出瞬時的輸入值上，而是會跟著輸入值上，而是會跟著輸入變化一段時間；入變化一段時間；u 在在tAP后的輸出還有后的輸出還有一段波動，經(jīng)過一一段波動，經(jīng)過一定時間后才保持穩(wěn)定時間后才保持穩(wěn)定。定。u 保持建立時間保持建立時間tST：由保持指令開始，到輸由保持指令開始，到輸出在規(guī)定的誤差帶內(nèi)達(dá)出在規(guī)定的誤差帶內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定所需要的時間；到穩(wěn)定所需要的時間；u 由于孔徑時間

16、的存由于孔徑時間的存在，采樣在，采樣/保持器實際保保持器實際保持的輸出值與希望的輸持的輸出值與希望的輸入值之間存在一定的誤入值之間存在一定的誤差，該誤差稱為差，該誤差稱為孔徑誤孔徑誤差差；第15頁/共51頁孔徑時間孔徑時間tAP：保持：保持指令給出瞬間到模指令給出瞬間到模擬開關(guān)有效切斷所擬開關(guān)有效切斷所經(jīng)歷的時間。經(jīng)歷的時間。 2. 采樣保持器的主要性能參數(shù)采樣保持器的主要性能參數(shù)1. 孔徑時間孔徑時間tAPu 為了量化的準(zhǔn)確，為了量化的準(zhǔn)確，應(yīng)在發(fā)出保持指令應(yīng)在發(fā)出保持指令后延遲一段時間，后延遲一段時間，再啟動再啟動A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。u 孔徑時間只是使采樣孔徑時間只是使采樣時刻延遲，如果每次

17、采樣時刻延遲，如果每次采樣的延遲時間都相同，則對的延遲時間都相同，則對總的采樣結(jié)果的精確性不總的采樣結(jié)果的精確性不會有影響。改變保持指令會有影響。改變保持指令發(fā)出時間，即可消除孔徑發(fā)出時間，即可消除孔徑時間。時間。tU孔徑誤差孔徑誤差保持保持跟蹤跟蹤保持指令發(fā)出時刻保持指令發(fā)出時刻tAPtST保持保持采樣保持全過程第16頁/共51頁孔徑不定孔徑不定tAP：孔徑：孔徑時間的變化范圍。時間的變化范圍。 2. 采樣保持器的主要性能參數(shù)采樣保持器的主要性能參數(shù)2. 孔徑不定孔徑不定tAPtU孔徑誤差孔徑誤差保持保持跟蹤跟蹤保持指令發(fā)出時刻保持指令發(fā)出時刻tAPtST保持保持采樣保持全過程tAPu 若孔

18、徑時間在變?nèi)艨讖綍r間在變化，則對精度會化，則對精度會造成影響；造成影響；u 尤其，在高速采尤其，在高速采集系統(tǒng)中孔徑時集系統(tǒng)中孔徑時間的變化影響很間的變化影響很大。大。第17頁/共51頁捕捉時間捕捉時間tAC：指當(dāng)：指當(dāng)采樣保持器從保采樣保持器從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到跟蹤狀持狀態(tài)轉(zhuǎn)到跟蹤狀態(tài)時，輸出電壓開態(tài)時，輸出電壓開始跟蹤輸入電壓，始跟蹤輸入電壓，并達(dá)到誤差范圍內(nèi)并達(dá)到誤差范圍內(nèi)所需要的最小時間。所需要的最小時間。2. 采樣保持器的主要性能參數(shù)采樣保持器的主要性能參數(shù)3. 捕捉時間捕捉時間tACtU孔徑誤差孔徑誤差保持保持跟蹤跟蹤保持指令發(fā)出時刻保持指令發(fā)出時刻tAPtST保持保持采樣保持全過程tA

19、Pu 捕捉時間不影響采樣捕捉時間不影響采樣精度，但對采樣頻率精度，但對采樣頻率的提高有影響；的提高有影響；tACu 如果在保持狀態(tài)時的如果在保持狀態(tài)時的輸出為輸出為-FSR，而在，而在保持狀態(tài)結(jié)束時輸入保持狀態(tài)結(jié)束時輸入已變至已變至+FSR，則所，則所需的捕捉時間最長。需的捕捉時間最長。而這就是產(chǎn)品手冊上而這就是產(chǎn)品手冊上給出的給出的tAC值。值。u tAC與規(guī)定誤差與規(guī)定誤差范圍、保持電容范圍、保持電容CH的大小有關(guān)。的大小有關(guān)。第18頁/共51頁當(dāng)采樣保持器處在保持狀態(tài)時，由于漏電流使保當(dāng)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，常持電壓值下降，下降

20、值隨保持時間增大而增加，常用保持電壓的下降率來表示。用保持電壓的下降率來表示。2. 采樣保持器的主要性能參數(shù)采樣保持器的主要性能參數(shù)4. 保持電壓的下降保持電壓的下降)pF()pA()s/V(HCITU保持電壓的下降率：保持電容CH的漏電流u 為了使保持狀態(tài)的保持電壓的變化率不超過允為了使保持狀態(tài)的保持電壓的變化率不超過允許范圍，須選用優(yōu)質(zhì)電容。許范圍，須選用優(yōu)質(zhì)電容。u 增加增加CH的值可使保持電壓的變化率不大，但將的值可使保持電壓的變化率不大，但將使跟蹤的速度下降。使跟蹤的速度下降。第19頁/共51頁饋送饋送：指在保持狀態(tài)時，輸入電壓：指在保持狀態(tài)時，輸入電壓Ui的交流分的交流分量通過開關(guān)

21、量通過開關(guān)K的寄生電容的寄生電容CS加到加到CH上，使得上，使得Ui的變化引起輸出電壓的變化引起輸出電壓UO的微小變化。的微小變化。2. 采樣保持器的主要性能參數(shù)采樣保持器的主要性能參數(shù)5. 饋送饋送饋送的通路饋送的通路Ui -+A2CHUOCSKUC增大保持電容器增大保持電容器CH有利于減少饋送，但不利于采樣頻有利于減少饋送，但不利于采樣頻率的提高。率的提高。第20頁/共51頁tU保持保持跟蹤跟蹤保持指令發(fā)出時刻保持指令發(fā)出時刻tAPtST保持保持tAP跟蹤到保持的偏差跟蹤到保持的偏差：跟：跟蹤最終值與建立保持狀蹤最終值與建立保持狀態(tài)時的保持值之間的偏態(tài)時的保持值之間的偏差電壓。差電壓。該誤

22、差與輸入信號有該誤差與輸入信號有關(guān)，是一個不可預(yù)估關(guān)，是一個不可預(yù)估的誤差。的誤差。 2. 采樣保持器的主要性能參數(shù)采樣保持器的主要性能參數(shù)6. 跟蹤到保持的偏差跟蹤到保持的偏差跟蹤到保跟蹤到保持的偏差持的偏差第21頁/共51頁7. 電荷轉(zhuǎn)移偏差電荷轉(zhuǎn)移偏差 電荷轉(zhuǎn)移偏差電荷轉(zhuǎn)移偏差：指在保持狀態(tài)時，電荷通過開關(guān)：指在保持狀態(tài)時，電荷通過開關(guān)K的寄生電容轉(zhuǎn)移到保持電容器上引起的誤差。的寄生電容轉(zhuǎn)移到保持電容器上引起的誤差。此誤差與饋送不同，是由直流分量引起。此誤差與饋送不同，是由直流分量引起。 2. 采樣保持器的主要性能參數(shù)采樣保持器的主要性能參數(shù)增大保持電容器增大保持電容器CH有利于減少電荷

23、轉(zhuǎn)移偏差，但也增有利于減少電荷轉(zhuǎn)移偏差，但也增大了采樣大了采樣/保持器的響應(yīng)時間。保持器的響應(yīng)時間。第22頁/共51頁由以上討論可以看出，由以上討論可以看出，采樣保持器的性能采樣保持器的性能在很大在很大程度上取決于程度上取決于保持電容器的質(zhì)量保持電容器的質(zhì)量。因此，應(yīng)該選擇。因此，應(yīng)該選擇優(yōu)質(zhì)電容器。優(yōu)質(zhì)電容器。2. 采樣保持器的主要性能參數(shù)采樣保持器的主要性能參數(shù)選擇保持電容器，重點考慮：選擇保持電容器，重點考慮：u 絕緣電阻絕緣電阻：減少電容漏電流；：減少電容漏電流；u 介質(zhì)吸收介質(zhì)吸收：對保持電壓有影響。：對保持電壓有影響。如果對一個電容器充電到一定電壓如果對一個電容器充電到一定電壓Ue

24、，然后對它短路放電一定時間后再開路，然后對它短路放電一定時間后再開路，電容器上的電壓將從零往電容器上的電壓將從零往Ue方向緩變。方向緩變。電容器表現(xiàn)出來的電容器表現(xiàn)出來的“電壓記憶電壓記憶”特性特性稱為電容器的稱為電容器的介質(zhì)吸收介質(zhì)吸收。0U5V-5V保持保持 跟蹤跟蹤 保持保持介質(zhì)吸收介質(zhì)吸收誤差誤差電容器的介質(zhì)吸收電容器的介質(zhì)吸收第23頁/共51頁直接用直接用AD轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換:如果模擬信號不經(jīng)過采樣如果模擬信號不經(jīng)過采樣/ /保持器而直接輸入保持器而直接輸入A/DA/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)允許該模擬信號的變化率就得降低。要保證允許該模擬信號的變化率

25、就得降低。要保證A/DA/D轉(zhuǎn)換的精度轉(zhuǎn)換的精度, ,必必須確保須確保A/DA/D轉(zhuǎn)換過程中模擬信號的變化量不得大于轉(zhuǎn)換過程中模擬信號的變化量不得大于LSB/2. .任何一種任何一種A/D轉(zhuǎn)換器都需要轉(zhuǎn)換器都需要一定的轉(zhuǎn)換時間來完成量化一定的轉(zhuǎn)換時間來完成量化和編碼等過程。設(shè)轉(zhuǎn)換時間和編碼等過程。設(shè)轉(zhuǎn)換時間為為tCONV 。如果在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，。如果在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，輸入的模擬信號仍在變化，輸入的模擬信號仍在變化，此時進(jìn)行量化就會產(chǎn)生一定此時進(jìn)行量化就會產(chǎn)生一定誤差。誤差。tUUi=Um2sint對正弦信號對正弦信號 采樣：采樣：Ui=Um2sintUm2第24頁/共51頁直接用直接用AD轉(zhuǎn)換器對模

26、擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換:如果模擬信號不經(jīng)過采樣如果模擬信號不經(jīng)過采樣/ /保持器而直接輸入保持器而直接輸入A/DA/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)允許該模擬信號的變化率就得降低。要保證允許該模擬信號的變化率就得降低。要保證A/DA/D轉(zhuǎn)換的精度轉(zhuǎn)換的精度, ,必必須確保須確保A/DA/D轉(zhuǎn)換過程中模擬信號的變化量不得大于轉(zhuǎn)換過程中模擬信號的變化量不得大于LSB/2. .tUm2tUU正弦信號的最大變化率正弦信號的最大變化率Ui=Um2sint模擬信號電壓的最大變化率發(fā)生在正弦信號過零時：在過零處tUtUcos21ddmmaxi由于在正弦信號過零時由于在正弦信號過零時，t = n，|

27、cos(n)| =1，所以：所以：ddimmUtUf Umax12第25頁/共51頁直接用直接用AD轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換:如果模擬信號不經(jīng)過采樣如果模擬信號不經(jīng)過采樣/ /保持器而直接輸入保持器而直接輸入A/DA/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)允許該模擬信號的變化率就得降低。要保證允許該模擬信號的變化率就得降低。要保證A/DA/D轉(zhuǎn)換的精度轉(zhuǎn)換的精度, ,必必須確保須確保A/DA/D轉(zhuǎn)換過程中模擬信號的變化量不得大于轉(zhuǎn)換過程中模擬信號的變化量不得大于LSB/2. .tUm2tUU正弦信號的最大變化率正弦信號的最大變化率Ui=Um2sint而在而在AD轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間tC

28、ONV內(nèi)內(nèi)，輸入的正弦信號電壓最大變化輸入的正弦信號電壓最大變化率可能為率可能為:UtUtiCONViddmax由此可得出由此可得出: : UUftimC O N V第26頁/共51頁直接用直接用AD轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換:如果模擬信號不經(jīng)過采樣如果模擬信號不經(jīng)過采樣/ /保持器而直接輸入保持器而直接輸入A/DA/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)允許該模擬信號的變化率就得降低。要保證允許該模擬信號的變化率就得降低。要保證A/DA/D轉(zhuǎn)換的精度轉(zhuǎn)換的精度, ,必必須確保須確保A/DA/D轉(zhuǎn)換過程中模擬信號的變化量不得大于轉(zhuǎn)換過程中模擬信號的變化量不得大于LSB/2. .tUm

29、2tUU正弦信號的最大變化率正弦信號的最大變化率Ui=Um2sint如果一個如果一個n位的位的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，滿量程電壓為滿量程電壓為FSR=Um，則它，則它的的“量化單位量化單位”LSB所代表的所代表的電壓電壓Ui=Um/2n。如果在轉(zhuǎn)換時間如果在轉(zhuǎn)換時間tCONV內(nèi)內(nèi)，允允許的電壓的最大變化不超過許的電壓的最大變化不超過1LSB所代表的電壓所代表的電壓，則系統(tǒng)則系統(tǒng)可采集的最高信號頻率為：可采集的最高信號頻率為：CONVmax21tfn第27頁/共51頁直接用直接用AD轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換:如果模擬信號不經(jīng)過采樣如果模擬信號不經(jīng)過采樣/ /保持器而直接輸入

30、保持器而直接輸入A/DA/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)允許該模擬信號的變化率就得降低。要保證允許該模擬信號的變化率就得降低。要保證A/DA/D轉(zhuǎn)換的精度轉(zhuǎn)換的精度, ,必必須確保須確保A/DA/D轉(zhuǎn)換過程中模擬信號的變化量不得大于轉(zhuǎn)換過程中模擬信號的變化量不得大于LSB/2. .tUm2tUU正弦信號的最大變化率正弦信號的最大變化率Ui=Um2sint如果允許正弦信號電壓變化如果允許正弦信號電壓變化0.5LSB，則系統(tǒng)可采集的最，則系統(tǒng)可采集的最高信號頻率為：高信號頻率為：CONV1max21tfn系統(tǒng)可采集的最高信號頻率受A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和轉(zhuǎn)換時間的限制。第28頁/共51頁已知已知A/D轉(zhuǎn)換

31、器的型號為轉(zhuǎn)換器的型號為ADC0804，其轉(zhuǎn)換其轉(zhuǎn)換時間時間tCONV=100 s（時鐘頻率為時鐘頻率為640kHz），），位數(shù)位數(shù)n = 8，允許信號變化為允許信號變化為LSB/2，計算系，計算系統(tǒng)可采集的最高信號頻率。統(tǒng)可采集的最高信號頻率。解：解：例子：例子：)Hz(22. 61010014. 32121618CONV1maxtfn該系統(tǒng)無采樣該系統(tǒng)無采樣/ /保持器，只能對頻率低于保持器，只能對頻率低于6.22Hz的信號進(jìn)行采樣。的信號進(jìn)行采樣。第29頁/共51頁如果在如果在A/D轉(zhuǎn)換器的前面加一個采樣轉(zhuǎn)換器的前面加一個采樣/保持器，這樣保持器，這樣就變成在就變成在t = tAP內(nèi)討論

32、系統(tǒng)可采集模擬信號的最高內(nèi)討論系統(tǒng)可采集模擬信號的最高頻率頻率。則系統(tǒng)可采集的信號最高頻率為則系統(tǒng)可采集的信號最高頻率為:ULSB 1)Hz(21APmaxtfn：ULSB12)Hz(21AP1maxtfn：因為因為tAP一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間tCONV，所以，有采樣所以，有采樣/ /保持器的系統(tǒng)可采集的信號最高頻率保持器的系統(tǒng)可采集的信號最高頻率要大于未加采樣要大于未加采樣/ /保持器的系統(tǒng)。保持器的系統(tǒng)。第30頁/共51頁解：解：例子：例子：使用采樣使用采樣/ /保持器之后，系統(tǒng)能對頻率不高于保持器之后，系統(tǒng)能對頻率不高于12.44k12.44kHz

33、的信號進(jìn)行采樣，使系統(tǒng)可采集的的信號進(jìn)行采樣，使系統(tǒng)可采集的信號頻率提高了很多倍，大大改善了采樣速率。信號頻率提高了很多倍，大大改善了采樣速率。用采樣用采樣/保持器芯片保持器芯片AD582和和A/D轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片ADC0804組成一個采集系統(tǒng)組成一個采集系統(tǒng)。已知已知AD582的的孔徑時間孔徑時間tAP =50ns，ADC0804的轉(zhuǎn)換時間的轉(zhuǎn)換時間 tCONV =100 s（時鐘頻率為時鐘頻率為640kHz），），計算計算系統(tǒng)可采集的最高信號頻率。系統(tǒng)可采集的最高信號頻率。 )kH(44.12105014. 32121918AP1maxztfn第31頁/共51頁根據(jù)采樣定理，采集一個有

34、限帶寬的模擬信號，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(yīng)兩倍于最高信號頻率。采樣頻率至少應(yīng)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)能這意味著帶采樣保持器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能處理的最高輸入信號頻率應(yīng)為：處理的最高輸入信號頻率應(yīng)為：)(21APCONVACmaxtttftAC：采樣：采樣/保持器的捕捉時間；保持器的捕捉時間；tAP：采樣：采樣/保持器的最大孔徑時間保持器的最大孔徑時間（包括抖動時間）；（包括抖動時間）；tCONV：A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間。tST ?第32頁/共51頁tAP與與tAC、tCONV相比，可以忽略。相比，可以忽略。例子：例子

35、：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠采集的信號的最高頻率既要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠采集的信號的最高頻率既要受到采樣受到采樣/ /保持器的孔徑時間保持器的孔徑時間tAP和采樣精度和采樣精度n的限制，也要受到采樣定理的限制。的限制，也要受到采樣定理的限制。用采樣用采樣/保持器芯片保持器芯片AD582和和A/D轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片ADC0804組成一個采集系統(tǒng)組成一個采集系統(tǒng)。已知已知AD582的捕的捕捉時間捉時間tAC=6 s，孔徑時間，孔徑時間tAP =50ns，ADC0804的轉(zhuǎn)換時間的轉(zhuǎn)換時間 tCONV =100 s（時鐘頻率為時鐘頻率為640kHz），），計算系統(tǒng)可采集的最高信號頻率。計算系統(tǒng)可采集的最高信號頻

36、率。 )kH(72. 410100106212166maxzttfCONVAC解：第33頁/共51頁目前，采樣/保持器大多數(shù)是集成在一塊芯片，芯片內(nèi)不包含保持電容器，保持電容器是由用戶根據(jù)需要自選并外接在芯片上。種類種類芯片芯片主要指標(biāo)、用途主要指標(biāo)、用途通用型通用型AD582, AD583, LF198, LF398TACAC在幾在幾us,us,TAPAP為幾十至為幾十至100100多多ns;ns;高速型高速型THS-0025, THS-0060,THC-0030, THC-1500TACAC、TAPAP均為均為20-30ns20-30ns高分辨率型高分辨率型SHA1144為為1414位分辨

37、率設(shè)計位分辨率設(shè)計第34頁/共51頁1. AD582u AD582是通用型采樣是通用型采樣/保保持器持器(國產(chǎn)型號國產(chǎn)型號5G582)。 1234567891011121314+INNULLOUTPUT-INCHNCNCNCNC+SU-SUL+L-AD582管腳及結(jié)構(gòu)示意u 它由一個高性能的運算放大器、低漏電流的模擬開關(guān)和一個由結(jié)型場效應(yīng)管集成的放大器組成。它采用14腳雙列直插式封裝.u 其中腳其中腳1 1是同相輸入端，是同相輸入端，腳腳9 9是反相輸入端，保持是反相輸入端，保持電容電容CH接在腳接在腳6 6與腳與腳8 8之之間，腳間，腳1010和腳和腳5 5是正負(fù)電是正負(fù)電源，腳源，腳111

38、1和腳和腳1212是邏輯控是邏輯控制端，腳制端，腳3 3和腳和腳4 4接直流調(diào)接直流調(diào)零電位器，腳零電位器，腳2 2，7 7，1313，1414為空腳為空腳(Nc)(Nc)。 第35頁/共51頁AD582的特性如下：的特性如下：u 有較短的信號有較短的信號捕捉時間捕捉時間，最短達(dá)，最短達(dá)6 s;u 有較高的有較高的采樣保持電流比采樣保持電流比，可達(dá)，可達(dá)107;u 有較高的輸入阻抗，約有較高的輸入阻抗，約30M；u 輸入信號電平可為電源電壓輸入信號電平可為電源電壓US;u 具有相互隔開的模擬地、數(shù)字地，從而提具有相互隔開的模擬地、數(shù)字地，從而提高了抗干擾能力；高了抗干擾能力；u 具有差動的邏輯

39、輸入端；具有差動的邏輯輸入端；u AD582可與任何獨立的運算放大器連接?？膳c任何獨立的運算放大器連接。1. AD582該時間與所選的保持電容有關(guān)保持電容器充電電流與保持模式時電容漏電流之間的比值L+相對L-的輸入電壓在-6V0.8V時，處于跟蹤模式，L+相對于L-的偏置為+2V+US-3V之間時，處于保持模式。第36頁/共51頁1. AD582的實用電路的實用電路數(shù)字地1345689101112CHRLUiA1oU2A+-=2k+15V-15V0.05uF10k模擬地AD582實用電路（一）u是反饋型采樣是反饋型采樣/保保持器，增益為持器，增益為1，輸出不反相的連接輸出不反相的連接線路。保持

40、電容接線路。保持電容接在運放的輸出端在運放的輸出端（腳腳8）與反相輸與反相輸入端入端（腳腳6）之間之間。u根據(jù)根據(jù)“密勒效密勒效應(yīng)應(yīng)”，這樣的接法，這樣的接法相當(dāng)于相當(dāng)于在在A2的輸入的輸入端接有電容端接有電容CH=(1+A2)CH。調(diào)零電位器密勒效應(yīng)：密勒效應(yīng)：反相放大電路中，輸入與輸出反相放大電路中，輸入與輸出之間的分布電容或寄生電容由于放之間的分布電容或寄生電容由于放大器的放大作用，其等效到輸入端大器的放大作用，其等效到輸入端的電容值會擴大的電容值會擴大1+K倍，其中倍，其中K是是該級放大電路電壓放大倍數(shù)。該級放大電路電壓放大倍數(shù)。壞處：壞處：密勒電容對器件的頻率特性有直接密勒電容對器件

41、的頻率特性有直接的影響。的影響。 好處：好處：1. 采用較小的電容來獲得較大的電采用較小的電容來獲得較大的電容，這種技術(shù)在容，這種技術(shù)在IC設(shè)計中具有重要設(shè)計中具有重要的意義（可以減小芯片面積）；的意義（可以減小芯片面積）；2. 獲得可控電容獲得可控電容 (例如受電壓或電例如受電壓或電流控制的電容流控制的電容) 。 第37頁/共51頁1. AD582的實用電路的實用電路數(shù)字地1345689101112CHRLUiA1oU2A+-=2k+15V-15V0.05uF10k模擬地AD582實用電路（一）u所以只需要外接所以只需要外接較小的電容，因此較小的電容，因此可獲得較高的采樣可獲得較高的采樣速率

42、速率u當(dāng)精度要求不太當(dāng)精度要求不太高高（0.1%）而速而速度要求較高時度要求較高時，可可選選CH = 100pF，這這時的捕捉時間時的捕捉時間tAC6 s。u當(dāng)精度要求較高當(dāng)精度要求較高（0.01%）時時，為減小饋送的影響為減小饋送的影響和減緩保持電壓的和減緩保持電壓的下降，應(yīng)取下降，應(yīng)取CH = 1000pF 。第38頁/共51頁1. AD582的實用電路的實用電路數(shù)字地1345689101112CHRLUiA1oU2A+-=2k+15V-15V0.05uF10k模擬地AD582實用電路（二）RFR1輸出不反相電路，電路增益可由外接電阻來選擇:)1 (1FRRK第39頁/共51頁2. LF1

43、98(LF298, LF398)uLF198也是反也是反饋型采樣饋型采樣/保持保持器，用二極管器，用二極管D1、D2代替模代替模擬開關(guān)擬開關(guān)K2。u當(dāng)處于跟蹤狀當(dāng)處于跟蹤狀態(tài)時，態(tài)時，U0=UI, D1，D2均不導(dǎo)均不導(dǎo)通。當(dāng)處于保通。當(dāng)處于保持狀態(tài)時，持狀態(tài)時，D1或或D2之一導(dǎo)通之一導(dǎo)通LF198的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)uLF198的供電電壓為5V18V?？刂齐妷篣K為TTL電平，當(dāng)UK1.4V時，LF198處于跟蹤狀態(tài)，當(dāng)UK負(fù)跳變(從“1”變?yōu)椤?”)時，轉(zhuǎn)向保持狀態(tài)。 第40頁/共51頁2. LF198(LF298, LF398)uLFl98可外接電可外接電位器作直流和位器作直流和交流的凋零。交

44、流的凋零。u直流凋零是補直流凋零是補償運算放大器償運算放大器的失調(diào)電壓，的失調(diào)電壓，與一般運放的與一般運放的調(diào)零相同。調(diào)零相同。LF198的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)直流調(diào)零交流調(diào)零u交流調(diào)零方法是把模擬開關(guān)的控制電壓UK加到一反相器上，在反相器的輸入與輸出間接了一個10k歐姆電位器，電位器的中心抽頭經(jīng)10pF小電容與保持電容Cu端連接，這是用以補償Uo跳變時加到CH上的脈沖。第41頁/共51頁1. 采樣保持器選用時應(yīng)注意的問題采樣保持器選用時應(yīng)注意的問題每一次數(shù)據(jù)采集過程都包括一次采樣和一次A/D轉(zhuǎn)換，所以采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器各完成一次動作所需時間之和應(yīng)小于采樣周期Ts。tttTACSTCONVS捕捉

45、時間保持建立時間A/D轉(zhuǎn)換時間tAC與規(guī)定誤差范圍有關(guān)。因此，tAC的大小應(yīng)與A/D轉(zhuǎn)換器的精度配合。同時， tAC也與采樣/保持器所選保持電容CH的大小有關(guān)。第42頁/共51頁8位位A/D轉(zhuǎn)換器的精度等于轉(zhuǎn)換器的精度等于2-8=1/256=0.39%，與之相，與之相配的采樣配的采樣/保持器的誤差帶可取為保持器的誤差帶可取為0.2%(0.1%)。AD582在在CH=10pF時，要達(dá)到該精度，時，要達(dá)到該精度，tAC =6 s。12位的位的A/D轉(zhuǎn)換器，精度等于轉(zhuǎn)換器，精度等于2-12100% = 0.024%, 則應(yīng)取采樣則應(yīng)取采樣/保持器的誤差帶為保持器的誤差帶為0.01%(0.005%)。

46、AD582在在CH = 1000pF時，要達(dá)到該精度，時，要達(dá)到該精度，tAC=25 s。1. 采樣保持器選用時應(yīng)注意的問題采樣保持器選用時應(yīng)注意的問題第43頁/共51頁u 保持電壓下降率對保持電壓下降率對A AD D轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓穩(wěn)定度的影響。穩(wěn)定度的影響。為了保證數(shù)據(jù)采集精度，應(yīng)使在為了保證數(shù)據(jù)采集精度，應(yīng)使在A/D轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間tCONV內(nèi)，采樣內(nèi)，采樣/ /保持器的保持電壓下降不超過保持器的保持電壓下降不超過LSB/2，即保持電壓下降率為：，即保持電壓下降率為： CONV21ddtLSBtU1. 采樣保持器選用時應(yīng)注意的問題采樣保持器選用時應(yīng)注意的問題)pF()pA()s/V(HCITU然后根據(jù)如下公式校核CH的值：保持電容CH的漏電流根據(jù)LSB可以定出dU/dt第44頁/共51頁u 孔徑時間與精度、信號的最大變化率的關(guān)系?？讖綍r間與精度、信號的最大變化率的關(guān)系。1. 采樣保持器選用時應(yīng)注意的問題采樣保持器選用時應(yīng)注意的問題設(shè)輸入信號的最大變化率為設(shè)輸入信號的最大變化率為(dUi/dt)max, ,允許的孔允許的孔徑誤差小于徑