1第5章采樣／保持器

25.1概述5.2采樣/保持器的工作原理5.3類型和主要性能參數5.4采集速率與采樣/保持器的關系5.5采樣／保持器集成芯片本章教學內容

5.6

使用中應注意的問題

35.1

概述

4數據采集問題：模擬信號進行

A／D轉換時，從啟動轉換到轉換結束輸出數字量，需要一定的轉換時間，當輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉換誤差。解決方法：采用一種器件，在A／D轉換時保持住輸入信號電平，在A／D轉換結束后跟蹤輸入信號的變化。5.1

概述這種功能的器件就是采樣／保持器。

5第5章采樣／保持器5.2

采樣／保持器的工作原理

65.2

采樣／保持器的工作原理本節(jié)教學目標

了解采樣/保持器的一般結構

理解采樣/保持器的工作原理

7模擬信號UiK驅動信號ACH模擬地UO圖5-1采樣／保持器的一般結構形式5.2

采樣／保持器的工作原理

85.2

采樣／保持器的工作原理組成模擬開關K電容CH緩沖放大器A

95.2

采樣／保持器的工作原理在t1時刻前，控制電路的驅動信號為高電平時，模擬開關K

閉合，模擬輸入信號Ui

通過模擬開關加到電容CH上，使得CH端電壓UC

跟隨Ui變化而變化。在t1時刻，驅動信號為低電平，模擬開關K斷開，此時電容CH

上的電壓UC

保持模擬開關斷開瞬間的Ui

值不變并等待A／D轉換器轉換。工作原理如下：t控制信號t模擬輸入At采樣輸出跟蹤t1A2t2A1t3保持A3t4A圖5-2采樣／保持器工作原理而在t2時刻，保持結束，新一個跟蹤時刻到來，此時驅動信號又為高電平，模擬開關K

重新閉合，

CH

端電壓UC又跟隨Ui變化而變化；t3時刻，驅動信號為低電平時，模擬開關K斷開，......。

105.2

采樣／保持器的工作原理從以上討論可知：

采樣／保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件。

它具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：跟蹤（或采樣）狀態(tài)

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的變化，一直到接到保持指令為止。

115.2

采樣／保持器的工作原理保持狀態(tài)

對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進行保持。采樣／保持器主要起以下兩種作用：“穩(wěn)定”快速變化的輸入信號，以減少轉換誤差。用來儲存模擬多路開關輸出的模擬信號，以便模擬多路開關切換下一個模擬信號。

12第5章采樣／保持器5.3

類型和主要性能參數

135.3

類型和主要性能參數

本節(jié)教學目標

了解采樣/保持器的結構類型

理解采樣/保持器的主要性能參數

145.3

類型和主要性能參數

1.

采樣／保持器的類型

按結構分為兩種類型串聯型串聯型采樣／保持器的結構如圖5-3。串聯型反饋型

155.3

類型和主要性能參數

A1和A2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，以便與信號源和負載連接。

K是模擬開關，由控制信號電壓UK控制其斷開或閉合。CH是保持電容器。Ui

-+A1KUK

-+A2CH模擬地UO圖5-3串聯型采樣／保持器的結構

165.3

類型和主要性能參數

優(yōu)點：缺點：其失調電壓為兩個運放失調電壓之和，比較大，影響到采樣／保持器的精度。跟蹤速度也較低。結構簡單反饋型反饋型采樣／保持器的結構如圖5-4所示。

175.3

類型和主要性能參數

其輸出電壓反饋到輸入端，使和共同組成一個跟隨器。圖5-4反饋型采樣／保持器的結構Ui

-+A1-+eOS1

-+A2CH模擬地-+eOS2K1UKUCUORK2開關和有互補的關系K1閉合，K2斷開K1斷開，K2閉合作用：當K1閉合，K2斷開時，A1和A2共同組成一個跟隨器，采樣／保持器工作于跟蹤狀態(tài)。此時，保持電容CH的端電壓為式中eOS1和

eOS2分別為運放

A1和A2的失調電壓。當K1斷開，K2閉合時，采樣／保持器工作于保持狀態(tài)。

此時，CH的端電壓保持在K1斷開瞬間的Ui值上，使

185.3

類型和主要性能參數

優(yōu)點：①采樣/保持精度高，原因是只有eOS1影響精度。②跟蹤速度快缺點：結構復雜。

19孔徑時間tAP—保持指令給出瞬間到模擬開關有效切斷所經歷的時間。2.

采樣／保持器的主要性能參數孔徑時間tAP什么是〞孔徑時間〞

？5.3

類型和主要性能參數

205.3

類型和主要性能參數

捕捉時間孔徑不定

由圖5-5可知，在tAP后的輸出還有一段波動，經過一定時間tST后才保持穩(wěn)定。tU孔徑誤差實際輸出希望的輸出模擬信號保持跟蹤保持指令發(fā)出時刻tAP△tAPtST保持圖5-5采樣／保持全過程

為了量化的準確，應在發(fā)出保持指令后延遲一段時間，再啟動A／D轉換。tAC△U△t

215.3

類型和主要性能參數

由于孔徑時間的存在，而產生孔徑誤差—

采樣／保持器實際保持的輸出值與希望輸出值之差?？讖讲欢ā鱰AP

孔徑不定△tAP—孔徑時間的變化范圍?？讖綍r間使采樣時刻延遲。

225.3

類型和主要性能參數

如果延遲時間不變，則對總的采樣結果的精確性不會有太大影響。

但若孔徑時間在變化，則對精度就會有影響。

235.3

類型和主要性能參數

捕捉時間tAC

捕捉時間—

指當采樣／保持器從保持狀態(tài)轉到跟蹤狀態(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。什么是〞捕捉時間〞

？

245.3

類型和主要性能參數

保持電壓的下降

當采樣／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，常用保持電壓的下降率來表示：式中

I——保持電容CH的漏電流。

255.3

類型和主要性能參數

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)質電容。

增加CH的值可使保持電壓的變化率不大，但將使CH跟蹤Ui的速度下降。

265.3

類型和主要性能參數

饋送饋送—

指輸入電壓Ui的交流分量通過開關K的寄生電容CS加到CH上，使得Ui的變化引起輸出電壓UO的微小變化。什么是〞饋送〞

？

275.3

類型和主要性能參數

交流分量引起的誤差。保持電容器CH↑，饋送↓，但不利于采樣頻率的提高。圖5-6饋送的通路Ui

-+A2CHUOCSK寄生電容

285.3

類型和主要性能參數

跟蹤到保持的偏差

跟蹤到保持的偏差—

跟蹤最終值與建立保持狀態(tài)時的保持值之間的偏差電壓。什么是〞跟蹤到保持的偏差〞

？

295.3

類型和主要性能參數

電荷轉移偏差

電荷轉移偏差—

指在保持狀態(tài)時，電荷通過開關K的寄生電容轉移到保持電容器上引起的誤差。什么是〞電荷轉移偏差〞

？

305.3

類型和主要性能參數

采樣／保持器的開關為場效應管，柵、漏極間存在寄生電容。在保持指令發(fā)出時，柵極電位有一個大的變化，使一個顯著的電荷通過寄生電容轉移原因：到保持電容器上。寄生電容Ui

-+A2CHUOCdgSdg

315.3

類型和主要性能參數

由以上討論可以看出：

采樣／保持器的性能在很大程度上取決于保持電容器的質量。保持電容器CH↑，電荷轉移偏差↓，采樣／保持器的響應時間↑。

325.3

類型和主要性能參數

捕捉時間孔徑不定

由圖5-5可知，在tAP后的輸出還有一段波動，經過一定時間tST后才保持穩(wěn)定。tU孔徑誤差實際輸出希望的輸出模擬信號保持跟蹤保持指令發(fā)出時刻tAP△tAPtST保持圖5-5采樣／保持全過程

為了量化的準確，應在發(fā)出保持指令后延遲一段時間，再啟動A／D轉換。tAC△U△t

33第5章采樣／保持器5.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系

345.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系本節(jié)教學目標

了解采樣/保持器對提高系統(tǒng)采集速率的作用

355.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系

首先討論不用采樣／保持器，而直接用A／D轉換器對模擬信號進行轉換的情況。設模擬信號如圖5-8所示。

365.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系Ui=Um2sinωt

對正弦信號采樣，在△t內，模擬信號電壓的最大變化率發(fā)生在正弦信號過零時，tUm2△t△UU圖5-8正弦信號的最大變化率

375.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系

由于在正弦信號過零時，ωt=±nπ，|cos(±nπ)|=1，所以則

385.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系

而在A／D轉換時間tCONV內，輸入的正弦信號電壓最大變化率可能為由此可得出

395.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系

如果在轉換時間tCONV內，正弦信號電壓的最大變化不超過1LSB所代表的電壓，則在Um

=FSR條件下，數據采集系統(tǒng)可采集的最高信號頻率為

405.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系如果允許正弦信號電壓變化為，則系統(tǒng)可采集的最高信號頻率為

由（5-4）、（5-5）式可看出，系統(tǒng)可采集的最高信號頻率受A／D轉換器的位數和轉換時間的限制。

415.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系【例5.1】已知A／D轉換器的型號為ADC0804，

其轉換時間tCONV=100

s（時鐘頻率為

640kHz），位數n=8，允許信號變化為，計算系統(tǒng)可采集的最高信號頻率。解：由式（5-5）知

425.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系

如果在A／D轉換器的前面加一個采樣／保持器，這樣就變成在△t=tAP內討論系統(tǒng)可采集模擬信號的最高頻率。

仍考慮對正弦信號采樣，則系統(tǒng)可采集的信號最高頻率為

435.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系結論：因為tAP一般遠遠小于A／D轉換器的轉換時間tCONV，所以，有采樣／保持器的系統(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)。

445.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系【例5.2】用采樣／保持器芯片AD582和A／D轉換器芯片ADC0804組成一個采集系統(tǒng)。

已知AD582的孔徑時間

tAP=50ns，

ADC0804的轉換時間tCONV=100

s

（時鐘頻率為640kHz），計算系統(tǒng)可采集的最高信號頻率。解：由式（5-7）知

455.4

系統(tǒng)采集速率與采樣／保持器的關系應該指出的是：根據采樣定理，采集一個有限帶寬的模擬信號，采樣頻率至少應兩倍于最高信號頻率。

這意味著帶采樣／保持器的數據采集系統(tǒng)處理的最高輸入信號頻率應為

46第5章采樣／保持器5.5

采樣／保持器集成芯片

475.5

采樣／保持器集成芯片本節(jié)教學目標

了解采樣/保持器集成芯片的構造

了解采樣/保持器集成芯片的連接

485.5

采樣／保持器集成芯片

常用的集成采樣／保持器有多種，因時間的關系，下面只介紹其中的兩種。1.AD582AD582是通用型采樣／保持器。其管腳及結構示意如圖所示。

495.5

采樣／保持器集成芯片組成1.高性能運放2.低漏電流的模擬開關3.結型場效應管集成的放大器

505.5

采樣／保持器集成芯片AD582的特性如下：有較短的信號捕捉時間，最短達6

s。有較高的采樣／保持電流比，可達107。輸入信號電平可為電源電壓±US

。有較高的輸入阻抗。具有相互隔開的模擬地、數字地，從而提高了抗干擾能力。具有差動的邏輯輸入端。AD582可與任何獨立的運算放大器連接。

515.5

采樣／保持器集成芯片

由圖5.10可知，AD582是反饋型采樣／保持器，保持電容接在運放的輸出端（腳8）與輸入端（腳6）之間。

根據“密勒效應”，這樣的接法相當于在A2的輸入端接有電容

圖5-11AD582的實用電路（一）

525.5

采樣／保持器集成芯片

所以AD582外接較小的電容可獲得較高的采樣速率。當精度要求不太高（±0.1%）而速度要求較高時，可選CH=100pF，這時的捕捉時間tAC≤6

s。當精度要求較高（±0.01%）時，為減小饋送的影響和減緩保持電壓的下降，應取CH=1000pF

。

535.5

采樣／保持器集成芯片

圖5-11是增益為1，輸出不反相的連接線路。

圖5-12是輸出不反相電路，電路增益可由外接電阻來選擇，增益

54第5章采樣／保持器

5.6

使用中應注意的問題

555.6

使用中應注意的問題本節(jié)教學目標

了解捕捉時間、轉換時間與采樣周期的關系

了解選用采樣／保持器應注意的問題

了解電路設計中應注意的問題

561.

采樣／保持器選用時應注意的問題捕捉時間、轉換時間與采樣周期的關系在帶有采樣／保持器的數據采集系統(tǒng)中，每次數據采集過程采樣A／D轉換5.6

使用中應注意的問題

575.6

使用中應注意的問題

采樣／保持器和A／D轉換器各完成一次動作所需時間之和應小于采樣周期TS。即選用采樣／保持器應注意的問題tAC與規(guī)定誤差范圍有關。因此，tAC的大小應與A／D轉換器的相對分辨率配合：

585.6

使用中應注意的問題8位A／D轉換器的相對分辨率等于與之相配的采樣／保持器的誤差帶可取為

0.2%(±0.1%)在CH=100pF時，tAC=6

s。

595.6

使用中應注意的問題12位的A／D轉換器，相對分辨率等于則應取采樣／保持器的誤差帶為

0.01%(±0.005%)。在CH=1000pF時，tAC=25

s。

605.6

使用中應注意的問題

保持電壓下降率對A／D轉換器輸入端的電壓穩(wěn)定度的影響。

為了保證數據采集精度，應使保持電壓下降率為當根據LSB定出

后，可按式（5-3）校核CH的值。

615.6

使用中應注意的問題

孔徑時間與精度、信號的最大變化率的關系設輸入信號的最大變化率為，允許的孔徑誤差，則孔徑時間應滿足下式：或

625.6

使用中應注意的問題2.

電路設計中應注意的問題接地

采樣／保持器有分離的模擬地和數字地引腳。目的：避免數字電路的突變電流對模擬電路的影響。

635.6

使用中應注意的問題方法：將模擬地與數字地分別用引線接到模擬電源