第5章 采樣保持器

1、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)第5章 采樣/保持器主要內(nèi)容n采樣/保持器的工作原理n采樣保持器的類型和主要性能參數(shù)n系統(tǒng)采集速率與采樣/保持器的關(guān)系n采樣保持器使用中應注意的問題5.1 概述n模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號需要一定的轉(zhuǎn)換時間n模擬信號在A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過程中要基本保持不變，否則轉(zhuǎn)換精度沒有保證，尤其在輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉(zhuǎn)換誤差n解決辦法：n提高A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度，減小轉(zhuǎn)換時間n通過某種器件將某時刻的模擬信號保持住，然后再由A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換5.2 采樣/保持器的工作原理n采樣/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，主要由模擬開關(guān)、電容

2、和緩沖放大器組成，一般結(jié)構(gòu)形式如圖所示模擬輸入信號模擬輸入信號Ui驅(qū)動信號驅(qū)動信號CHUCAUOK模擬地模擬地5.2 采樣/保持器的工作原理nt1時刻之前，開關(guān)閉合，模擬信號對電容進行充電，電容電壓隨模擬信號電壓變化，跟蹤期；nt1時刻，開關(guān)斷開，電容電壓為斷開瞬間的模擬信號電壓，保持期；模模擬擬輸輸入入采采樣樣輸輸出出控控制制信信號號t1t2t3t45.2 采樣/保持器的工作原理n采樣保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件，它有兩個穩(wěn)定狀態(tài)：n跟蹤狀態(tài)n保持狀態(tài)n采樣保持器的作用n“穩(wěn)定”快速變化的輸入信號，以利于減少采樣誤差n儲存模擬多路開關(guān)輸出的模擬信號，有利于提高多路信號采集速率影

3、響采樣保持器精度的因素n電容的電容值n電容值過大，時間常數(shù)大，對高頻信號的跟蹤能力差n漏電流n漏電流影響電壓的保持n負載的阻抗n阻抗太小也會引起保持信號電平的變化減小影響因素的措施n輸入輸出緩沖，減少信號源的輸出阻抗，增加負載的輸入阻抗n選擇適當?shù)碾娙葜担ＷC時間常數(shù)適中n選用泄漏小的電容5.3.1 采樣/保持器的類型n采樣保持器按結(jié)構(gòu)可以分為兩種類型：串聯(lián)型和反饋型n串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)n優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單n缺點：失調(diào)電壓為兩個運放失調(diào)電壓之和，影響采集精度，跟蹤速度較低UiUOA2A1UKKCH5.3.1 采樣/保持器的類型n反饋型采樣保持器n采樣精度高于串聯(lián)型n跟蹤速度較快UiUOA2A1

4、UKK1CHK2eOS1eOS2R5.3.2 采樣保持器的主要性能參數(shù)n孔徑時間tAPn是指保持指令給出瞬間到模擬開關(guān)有效切斷所經(jīng)歷的時間。n由于孔徑時間的存在，采樣保持器實際保持的輸出值與希望的輸出值之間存在一定的誤差，該誤差稱為孔徑誤差tU0模擬輸入信號模擬輸入信號實際的輸出實際的輸出希望的輸出希望的輸出孔徑誤差孔徑誤差tAPtSTt1t2tACtAP保持保持保持保持跟蹤跟蹤5.3.2 采樣保持器的主要性能參數(shù)n孔徑不定tAPn指孔徑時間的變化范圍n孔徑時間體現(xiàn)的是采樣時刻的延遲，而孔徑不定是對這個延遲的變化的描述n孔徑時間從理論上說可以用改變采樣時刻的方式消除，而孔徑不定則會對采樣的精度

5、及頻率產(chǎn)生影響n孔徑時間是對具體的一次采樣個體的描述，而孔徑不定則是對孔徑時間的一個總體上的描述5.3.2 采樣保持器的主要性能參數(shù)n捕捉時間tACn是指當采樣保持器從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到跟蹤狀態(tài)時，采樣保持器的輸出從保持狀態(tài)的值變到當前的輸入值所需的時間n捕捉時間不影響采樣精度，但對采樣頻率的提高有影響n產(chǎn)品手冊上給出的捕捉時間通常是指采樣保持器在輸出為FSR，而保持結(jié)束時輸入已變至FSR情況下的捕捉時間5.3.2 采樣保持器的主要性能參數(shù)n保持電壓的下降n當采樣保持器處在保持狀態(tài)時，由于電容的漏電流使保持電壓值下降，下降的值隨保持時間的增大而增加，通常用保持電壓的下降率來表示)()()/(pFCp

6、AIsVTUH5.3.2 采樣保持器的主要性能參數(shù)n饋送n在采樣保持器處在保持狀態(tài)時，保持電容上的電壓應與輸入電壓變化無關(guān)。但實際上由于模擬開關(guān)存在寄生電容的緣故，輸入電壓的交流分量將通過寄生電容而引起輸出電壓的微小變化模擬輸入信號模擬輸入信號UiCHUCAUOK模擬地模擬地CS5.3.2 采樣保持器的主要性能參數(shù)n跟蹤到保持的偏差n指跟蹤最終值與建立保持時的保持值之間的偏差電壓n這種偏差是電荷轉(zhuǎn)換誤差補償后剩余的誤差，與輸入信號有關(guān)，是不可預估的誤差n電荷轉(zhuǎn)移偏差n這種偏差是在保持狀態(tài)時，電荷通過寄生電容轉(zhuǎn)移到保持電容器上引起的，可通過加大保持電容容量來克服5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的

7、關(guān)系n系統(tǒng)采集速率與A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間和位數(shù)之間有什么關(guān)系？n采樣保持器在系統(tǒng)采集與A/D轉(zhuǎn)換之間有什么樣的作用？n如何通過A/D的技術(shù)指標和（或）采樣保持器的性能指標來估算系統(tǒng)采集的最高速率？A/D轉(zhuǎn)換時間與系統(tǒng)采集速率的關(guān)系t0UtUUm/2mCONViCONViCONVmmmiUftdtdUtUtUfUtUdtdUmaxmax,21cos21變化可能為輸入模擬信號電壓最大內(nèi)在轉(zhuǎn)換時間在過零處A/D轉(zhuǎn)換時間與系統(tǒng)采集速率的關(guān)系n若限定在轉(zhuǎn)換時間之內(nèi)，正弦信號電壓的變化最大不超過1LSB，在UmFSR條件下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集的信號最高頻率為n若限定為1/2LSB，則最高頻率為CONVn

8、tf21maxCONVntf1max215.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關(guān)系n例5.1 已知A/D轉(zhuǎn)換器的型號為AD0804，其轉(zhuǎn)換時間tCONV100s(時鐘頻率為640kHz)，位數(shù)n8，允許信號變化為1/2 LSB，計算系統(tǒng)可采集的最高信號頻率n本題屬于用AD轉(zhuǎn)換時間和位數(shù)估算可采集的信號最高頻率的類型HztfCONVn22. 61010014. 321216181max5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關(guān)系n因為通常采樣保持器的孔徑時間遠遠小于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間，所以加上采樣保持器后的系統(tǒng)可采集的信號最高頻率要大于未加采樣保持器的系統(tǒng)nt不再是A/D的轉(zhuǎn)換時間，而是采樣保持器的孔

9、徑時間n1LSB要求時n1/2LSB要求時APntf21maxAPntf1max215.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關(guān)系n例5.2 用采樣保持器芯片AD582和A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0804組成一個采集系統(tǒng)。已知AD582的孔徑時間tAP50ns，ADC0804的轉(zhuǎn)換時間tCONV100 s（時鐘頻率為640kHz），計算系統(tǒng)可采集的最高信號頻率nFmax12.44 kHz5.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關(guān)系n系統(tǒng)可處理的最高輸入信號頻率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間。時間（包括抖動時間）采樣保持器的最大孔徑；采樣保持器的捕捉時間式中：DAttttttfCONVAPACAPCONVAC/)(21max5

10、.4 系統(tǒng)采集速率與采樣保持器的關(guān)系n例5.3 用采樣保持器芯片AD582和A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0804組成一個采集系統(tǒng)。已知AD582捕捉時間tAC6 s，孔徑時間tAP50ns，ADC0804的轉(zhuǎn)換時間tCONV100 s（時鐘頻率為640kHz），計算系統(tǒng)可采集的最高信號頻率5.5 采樣/保持器集成芯片nAD585AD585應用SMP04SMP185.6 采樣/保持器使用中應注意的問題n采樣率與采樣保持器的選用n對于使用采樣保持器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通常每次數(shù)據(jù)采集都包括一次采樣和一次A/D轉(zhuǎn)換，因此，采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器各完成一次動作所需要的時間之和應該小于采樣周期CONVSTACS

11、SSCONVSTACtttTfTttt115.6 采樣/保持器使用中應注意的問題n采樣/保持器的捕捉時間tACn與規(guī)定的誤差范圍有關(guān)n與保持電容CH的大小有關(guān)n應該與A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率配合思路：nA/D轉(zhuǎn)換器的分辨率一定程度上約束了規(guī)定的誤差范圍，而不同的誤差范圍與保持電容的大小一起又進一步的約束了捕捉時間n當保持電容一定時，則決定了捕捉時間n當要求捕捉時間時，則影響到保持電容大小5.6 采樣/保持器使用中應注意的問題n采樣/保持器的保持電壓下降率決定了在A/D轉(zhuǎn)換期間加到A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓的穩(wěn)定程度。n為了保證數(shù)據(jù)采集精度，應在A/D轉(zhuǎn)換時間tCONV內(nèi)，采樣/保持器的保持電壓下降不能超過1/2LSB，即n再