1、1,9.5 采樣/保持器（電路）,采樣保持電路（采樣/保持器），又被稱為采樣保持放大器(Sampling-and-Hold Amplifier, SHA)。模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，需要一定的時(shí)間。在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號(hào)要保持不變，這樣才能保證轉(zhuǎn)換精度，尤其是輸入信號(hào)的頻率較高時(shí)。采樣/保持器就是完成這種功能的電路，它相當(dāng)于一個(gè)“模擬信號(hào)存儲(chǔ)器”。 有些集成A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含有采樣保持器，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了便利，也可以自行設(shè)計(jì)或選用集成電路芯片來構(gòu)成系統(tǒng)。,2,一、采樣/保持器的工作原理 采樣/保持器是指在輸入邏輯電平的控制下，處于“采樣”和“保持”兩種工作狀態(tài)的電路。,在“采樣”狀態(tài)下，電

2、路的輸出跟蹤輸入模擬信號(hào)； 在“保持”狀態(tài)下，電路的輸出保持著前一次采樣結(jié)束瞬間的模擬輸入信號(hào)，直到進(jìn)入下一次采樣狀態(tài)為止。,3,最基本的采樣保持器的構(gòu)成 模擬開關(guān) 存儲(chǔ)元件（保持電容） 緩沖放大器 圖中，K為模擬開關(guān)；CH為保持電容；A為緩沖放大器；而Vc為模擬開關(guān)控制信號(hào)，確定采樣還是保持的狀態(tài)。,采樣/保持器的工作原理 當(dāng)Vc為采樣電平時(shí)，開關(guān)K導(dǎo)通，模擬信號(hào)Vi通過K向CH充電，A的輸出電壓V0跟蹤模擬輸入信號(hào)的變化；當(dāng)Vc為保持電平時(shí)，開關(guān)K斷開，輸出電壓V0保持在模擬開關(guān)斷開瞬間的模擬輸入信號(hào)值。高輸入阻抗的緩沖放大器A把CH和負(fù)載隔離，也有保持作用。,4,二、采樣/保持器的類型和

3、主要性能參數(shù) 1、采樣/保持器的類型 采樣/保持器按結(jié)構(gòu)可分為兩種基本類型：串聯(lián)型和反饋型。,串聯(lián)型采樣/保持器 串聯(lián)型采樣/保持器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。運(yùn)算放大器A1和A2為輸入、輸出緩沖放大器，用來提高采樣/保持器的輸入阻抗，減小輸出阻抗，以便與信號(hào)源和負(fù)載連接；K為模擬開關(guān)，CH為保持電容。,5,當(dāng)開關(guān)閉K合時(shí)，輸入信號(hào)Vi通過A1對(duì)CH高速充電，CH的電壓將跟蹤Vi的變化；當(dāng)開關(guān)K斷開時(shí)，采樣/保持器從跟蹤狀態(tài)變?yōu)楸３譅顟B(tài)，CH沒有放電回路，在理論上CH的電壓將一直保持在K斷開瞬間Vi的值上。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：失調(diào)電壓為兩個(gè)運(yùn)放失調(diào)電壓之和，且比較大，影 響采樣/保持器的精度；

4、同時(shí)，跟蹤速度也比較低。,6,反饋型采樣/保持器 反饋型采樣/保持器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。其輸出電壓V0反饋到輸入端，使A1和A2共同組成一個(gè)跟隨器。,跟蹤時(shí)，開關(guān)K1閉合、K2斷開， A1和A2共同跟蹤輸入電壓Vi的變化；保持時(shí)，開關(guān)K1斷開、K2閉合，電容CH 的電壓保持在K1斷開瞬間的Vi值，輸出電壓V0對(duì)應(yīng)該電壓值 。,7,閉環(huán)控制電路中， 包含在環(huán)內(nèi)的干擾都可以通過反饋而有效消除。因此，反饋型采樣/保持器的失調(diào)電壓是運(yùn)放A1的失調(diào)電壓， 而A2的失調(diào)電壓被消除，所以它的精度要高于串聯(lián)型采樣/保持器，被普遍使用。 開關(guān)K2的設(shè)置是為了提高動(dòng)態(tài)性能。若無K2，保持階段A1處于開環(huán)狀態(tài)，當(dāng)

5、轉(zhuǎn)入采樣時(shí)，需要一定的延時(shí)才能跟蹤輸入信號(hào)的變化，使采樣/保持器的性能變差。 另外，與保持電容CH串聯(lián)的電阻r，用于抑制電路可能產(chǎn)生的振蕩，但r一般取值較小，為幾十歐姆。保持電容CH一般取為0.01-0.1F，且為吸收效應(yīng)小的電容器。 為了進(jìn)一步提高保持階段的精度，可在電路結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，如電容校正型采樣/保持器，這里不作更多討論。,8,2、采樣/保持器的主要能能參數(shù) 1）孔徑時(shí)間 TAP ：保持命令發(fā)出到到模擬開關(guān)有效切斷所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為孔徑時(shí)間。事實(shí)上，由于這個(gè)時(shí)間的存在，實(shí)際保持值與希望輸出值之間存在一定誤差，稱為孔徑誤差。 如果保持命令與A/D轉(zhuǎn)換命令同時(shí)發(fā)出， 轉(zhuǎn)換值將不是保持值。

6、為了量化的準(zhǔn)確，最好在發(fā)出保持命令后延遲一段時(shí)間，等采樣/保持器輸出穩(wěn)定后再啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。 當(dāng)輸入信號(hào)頻率較低時(shí)，孔徑時(shí)間對(duì)采樣精度影響小。,9,2）孔徑時(shí)間不確定性TAP ： 指孔徑時(shí)間的變化范圍。 孔徑時(shí)間使采樣時(shí)間延遲，如果每次采樣的延遲時(shí)間都相同，則對(duì)總的采樣結(jié)果的精確性不會(huì)有影響；但如果孔徑時(shí)間是變化的，則對(duì)精度就會(huì)造成影響。改變保持命令發(fā)出時(shí)間， 可消除孔徑時(shí)間。 因此，僅需考慮TAP對(duì)精度及采樣頻率的影響。 3）捕捉時(shí)間TAC：當(dāng)采樣/保持器從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)換為跟蹤狀態(tài)時(shí)，其輸出從所保持的值到達(dá)當(dāng)前輸入信號(hào)的值所需的時(shí)間，包括邏輯控制開關(guān)的延遲、到達(dá)穩(wěn)定值的建立時(shí)間以及保持到終值的

7、跟蹤時(shí)間等。該時(shí)間影響采樣頻率的提高而對(duì)轉(zhuǎn)換精度無影響。,10,4）保持電壓的下降：當(dāng)采樣/保持器處于保持狀態(tài)時(shí)，由于保持電容器CH的漏電流使保持電壓值下降，下降率： 式中，I為保持電容器的漏電流。 5）饋送：在采樣/保持器處于保持狀態(tài)時(shí)，保持電容器CH上的電壓應(yīng)與輸入電壓Vi無關(guān)。但由于斷開的模擬開關(guān)K存在寄生電容CS，輸入電壓Vi的交流分量將通過 CS加到 CH,上，也將引起輸出電壓 V0的微小變化，這就是饋送。增CH有利于減小饋送，但不利于采樣頻率的提高。,11,例：用采樣/保持芯片AD582 和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD0804組成一個(gè)采集系統(tǒng)。 已知AD582的捕捉時(shí)間TAC=6s，孔徑時(shí)間

8、TAP=50ns，ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間TCONV=100s，時(shí)鐘頻率為640kHz。計(jì)算系統(tǒng)可采集的最高輸入信號(hào)頻率。 解：根據(jù)香濃采樣定理，一個(gè)有限帶寬的模擬信號(hào)可以在某個(gè)采樣頻率下重新恢復(fù)而不喪失任何信息，該采樣頻率應(yīng)至少兩倍于信號(hào)的最高頻率，所以,12,三、采樣/保持器集成芯片 常用的集成采樣/保持芯片有多種，這里只介紹AD582。該芯片是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的通用型采樣/保持器。由一個(gè)高性能運(yùn)放、低漏電阻的模擬開關(guān)和一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管集成的放大器組成，采用14腳雙列直插式封裝。,13,AD582的特性如下： 1）有較短的捕獲時(shí)間，最短達(dá)6s，電容越大，捕獲時(shí)間越長(zhǎng)，它影響

9、采樣頻率。 2）有較高的采樣/保持電流比，可達(dá)107，該值是電容充電電流與保持模式電容漏電流之比，表征采樣/保持器的質(zhì)量。 3）有較高的輸入阻抗，約30M 。 4）有可達(dá)Us輸入信號(hào)電平，適用于12位A/D轉(zhuǎn)換器。 5）有相互隔離的模擬地、數(shù)字地，提高了抗干擾能力。 6）有差動(dòng)式邏輯駛?cè)攵恕?7）可與任何獨(dú)立的運(yùn)算放大器連接。,14,AD582的實(shí)用電路： 下圖是輸出不反向，電路增益可由外接電阻來選擇，增益為 。,15,四、電路設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題 1、接地：采樣保持器是一種模擬電路與數(shù)字電路混合而成的集成器件，該類芯片一般都備有分離的模擬地和數(shù)字地。在接線時(shí)，應(yīng)將模擬地與數(shù)字地分別用引線接到模

10、擬電源和數(shù)字電源的參考點(diǎn)上，避免數(shù)字電路的突變對(duì)模擬電路的影響。 2、漏電耦合影響：采樣保持器由邏輯控制信號(hào)控制芯片從跟蹤模式進(jìn)入保持模式，邏輯控制信號(hào)由于印刷電路板布線間的漏電流會(huì)耦合到模擬輸入端，引起誤差。在布線時(shí)，邏輯輸入端的走線應(yīng)遠(yuǎn)離模擬輸入端，或者模擬輸入端用地線包圍起來，以隔斷漏電流的通路。 3、寄生電容影響：采樣保持器的電容器CH一般是外接的，由于邏輯控制信號(hào)與CH之間存在寄生電容，會(huì)引起誤差。辦法是把CH的非接地端用環(huán)路包圍，并與采樣保持器輸出端相連。,16,9.6 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,目前，利用計(jì)算機(jī)數(shù)字系統(tǒng)處理模擬信號(hào)的情況越來越普遍。計(jì)算機(jī)所處理的是離散化的數(shù)字量，而實(shí)際遇到的

11、大多是連續(xù)變化的模擬量。模擬量要輸入計(jì)算機(jī)，必須首先轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換的接口電路。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器，或ADC，是把采集到的采樣模擬信號(hào)經(jīng)量化和編碼后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的一種器件或設(shè)備，在將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程中，起著極其重要的作用，其使用也極其普遍。,17,一、A/D轉(zhuǎn)換器的分類 A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，也有不同的分類方法， 如高/中/低精度A/D，高/中/低速A/D。但按工作原理分為直接比較型和間接比較型兩類。 1、直接比較型 將輸入的采樣模擬量與基準(zhǔn)電壓比較，得到數(shù)字編碼的離散量。直接比較型包括：連續(xù)比較、逐次逼近、斜坡電壓比較等，常用的

12、是逐次逼近型。逐次逼近采用的是瞬時(shí)比較法，抗干擾能力差，但轉(zhuǎn)換速度快。 2、間接比較型 輸入的采樣模擬量不直接和基準(zhǔn)電壓比較，而是先將二者都變成中間物理量，再進(jìn)行比較，然后將比較得到的時(shí)間或頻率進(jìn)行數(shù)字編碼。由于“先轉(zhuǎn)換后比較”，故形式更加多樣，如雙斜式、脈沖調(diào)寬型、積分型、自動(dòng)校準(zhǔn)積分型。特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，但速度慢。,18,二、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 1、分辨率：指A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨模擬量的最小變化量。假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器有n位，滿量程電壓為FSR，分辨率定義為 例如，一個(gè)滿量程電壓為10V的12位A/D轉(zhuǎn)換器，能分辨模擬輸入電壓的最小值為2.44mV，10/212=2.44(mV)。

13、A/D轉(zhuǎn)換器分辨率的高低取決于位數(shù)的多少，因此，一般都簡(jiǎn)單地用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n來間接代表分辨率。 2、量程：指A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的電壓范圍，例如，0 5V，-5 +5V，0 10V，-10 +10V等。 3、線性度：又稱為非線性度，指ADC實(shí)際的轉(zhuǎn)移特性曲線與理想直線的最大偏移。,分辨率 =,19,4、精度：轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度。 1）絕對(duì)精度：輸出數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬輸入電壓與理想輸入電壓值之差。絕對(duì)誤差一般在LSR/2范圍之內(nèi)。 2）相對(duì)精度：絕對(duì)精度與滿量程電壓值之比的百分?jǐn)?shù)。 5、轉(zhuǎn)換速率：A/D轉(zhuǎn)換器在保證轉(zhuǎn)換精度的前提下，能夠重復(fù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的

14、次數(shù)。轉(zhuǎn)換時(shí)間則是完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。 6、量化誤差：量化誤差是由ADC的有限分辨率引起的。用數(shù)字(離散)量表示連續(xù)量時(shí)，由于數(shù)字量字長(zhǎng)有限而無法精確地表示連續(xù)量所造成的誤差，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，精度越高。,20,三、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器 1、工作原理：逐次逼近式轉(zhuǎn)換器由比較器、逐次逼近寄存器SAR、D/A轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電源、時(shí)序和邏輯控制電路組成。,1）ADC從高到低逐次給SAR的每一位“置1”（即加上不同權(quán)重的砝碼），SAR相當(dāng)于放法碼的稱盤； 2）每次SAR中的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為電壓Uf ； 3）Uf與Ui比較，若Uf Ui，保持當(dāng)前位的1，否則當(dāng)前位置0； 4）從高到低逐次

15、比較下去，直到SAR的每一位都嘗試完。,21,2、注意事項(xiàng) 1、逐次逼近ADC對(duì)輸入信號(hào)上疊加的噪聲電壓十分敏感，在實(shí)際使用中通常需要對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波。 2、在轉(zhuǎn)換過程中，只能根據(jù)本次比較結(jié)果，對(duì)該位數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，對(duì)已經(jīng)完成轉(zhuǎn)換的各位數(shù)據(jù)不能再修正，為避免造成誤差， 必須采樣/保持器配合使用。,22,四、雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器 1、工作原理 雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接比較型A/D轉(zhuǎn)換器，由積分器、過零比較器、計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘脈沖控制門等組成。,23,雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理是通過兩次積分，將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為與其平均值成正比的時(shí)間間隔；在此時(shí)間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈

16、沖計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。,利用Qn的高/低電平，控制開關(guān)K1，將極性相反的輸入電壓Ui和參考電壓UREF分別輸入積分器，進(jìn)行兩次方向相反的積分。積分器的輸出為U0。 當(dāng)U00時(shí)，過零比較器輸出低電平，當(dāng)U00時(shí)，過零比較器輸出高電平。該比較器的輸出信號(hào)UC連接到時(shí)鐘控制門，作為開門/關(guān)門信號(hào)。設(shè)輸入信號(hào)Ui為正， U00， UC0，G開門。 計(jì)數(shù)器對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖cp計(jì)數(shù)，把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。,24,2、工作過程 1）準(zhǔn)備階段： CR信號(hào) 把計(jì)數(shù)器清零，讓K2 閉合，等電容放電后， 再斷開K2。 2）采樣階段：開關(guān)K1接通Ui，正的輸入電壓Ui加積分器輸入端，積分器從0開始對(duì)Ui積分。

17、,U00，過零比較器輸出 UC 為高電平，時(shí)鐘控制門打開，在cp作用下，從0開始計(jì)數(shù)。經(jīng)過2n個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器變?yōu)?，而Qn=1。此時(shí)開關(guān)K1接通UREF。,25,所以 積分器最終輸出為零，即,3）編碼階段：當(dāng)接通UREF時(shí)，負(fù)的參考電壓接到積分器輸入端，積分器開始二次反向積分，直到U00，比較器輸出UC=0，時(shí)鐘控制門關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。,當(dāng)t1結(jié)束時(shí)， Ui在t1期間的平均值為,26,關(guān)于雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器： 1）計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字正比于采樣模擬信號(hào)電壓的平均值。 2）雙斜式轉(zhuǎn)換過程是積分的過程，是平均值轉(zhuǎn)換，所以對(duì)疊加在信號(hào)上的隨即信號(hào)和周期性噪聲信號(hào)干擾有較好的抑制能力。 3）雙斜式積分

18、轉(zhuǎn)換速度較慢，一般不高于20次/秒。 4）對(duì)采樣模擬信號(hào)而言，雙斜積分轉(zhuǎn)換器是斷續(xù)工作的。,27,3、集成A/D轉(zhuǎn)換器 集成A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，有轉(zhuǎn)換速度快、慢之分，又有8、10、12、14、16位之分，這里介紹一種：ADC0809。 1）ADC0809特點(diǎn) ADC0809為8位、逐次逼近 型A/D轉(zhuǎn)換器，具有 8 個(gè)通 道。在程序控制下，選擇8 個(gè)模擬通道之一進(jìn)行A/D轉(zhuǎn) 換，可把得到的 8位值送給 CPU處理。 2）芯片結(jié)構(gòu) 該芯片由轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)、地址譯碼、三態(tài)輸出鎖存器等組成。,28,轉(zhuǎn)換器：由逐次逼近寄存器SAR、比較器、D/A轉(zhuǎn)換器等組成，是ADC0809的核心部分，其中，2

19、56R T型電阻網(wǎng)絡(luò)(2n個(gè)電阻分壓器，n=8)。它由啟動(dòng)脈沖的上升沿復(fù)位，下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換，并且在收新的啟動(dòng)脈沖時(shí)，中止轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC=1。 比較器采用斬波比較方式，首先把直流輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)，經(jīng)高增益放大器放大后，再恢復(fù)為直流電平，降低了放大器的漂移，提高了A/D轉(zhuǎn)換器的精度。 多路開關(guān)包括一個(gè)8通道單極性模擬輸入多路開關(guān)和3位地址譯碼器， 3位地址可在8個(gè)通道中選擇1路來輸入。 地址鎖存允許信號(hào)ALE的上升沿到來時(shí)，鎖存地址信號(hào)。 三態(tài)輸出鎖存器由允許輸出信號(hào)OE控制，OE=1時(shí)，則數(shù)據(jù)線D7-D0脫離高阻態(tài)，送出轉(zhuǎn)換結(jié)果。,29,3）ADC0809的時(shí)序和工作過程 首先通過ALE和ADDA、AD