1、采樣保持器與模擬多路開關 何種情況下應加SHA ？ 模擬信號進行A/D轉換時，從啟動轉換到轉換結束輸出數(shù)字量，需要一定的轉換時間。在這個AD轉換時間內，模擬信號要基本保持不變。否則轉換精度沒有保證，特別當輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉換誤差。要防止這種誤差的產生，必須在A/D轉換開始時將輸入信號的電平保持住，而在AD轉換結束后又能跟蹤輸入信號的變化。能完成這種功能的器件叫采樣保持器。采樣保持器在保持階段相當于一個“模擬信號存儲器”。,采樣保持器的工作原理 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。它主要由模擬開關K、電容CH和緩沖放大器A組成，它的一般結構形式如

2、圖所示。,采樣保持器的工作原理:,跟蹤(或叫采樣)期在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K加到電容CH上，使得電容CH端電壓Uc跟隨模擬輸入信號U1變化而變化，這個時期稱為跟蹤(或叫采樣)期。 保持期在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U1值不變并等待AD轉換器轉換，這個時期稱為保持期。 在t2時刻，保持結束，新一個跟蹤(采樣)時刻到來，此時驅動信號又為高電平，模擬開關K重新閉合，電容CH端電壓Uc又跟隨模擬輸入信號UI變化而變化，直到t3時刻驅動信號為低電平時，模擬開關K斷開.,采樣保

3、持器有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)： (1)跟蹤狀態(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。 (2)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。采樣保持器是在“保持”命令發(fā)出的瞬間進行采樣，而在“跟蹤”命令發(fā)出時，采樣保持器跟蹤模擬輸入量，為下次采樣做準備。 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采樣保持器主要起以下兩種作用：(1)“穩(wěn)定”快速變化的輸入信號，以利于模數(shù)轉換器把模擬信號轉換成數(shù)字信號，減小采樣誤差。(2)用來儲存模擬多路開關輸出的模擬信號，這樣可使模擬多路開關繼續(xù)切換下一個待轉換的信號。,采樣保持器的類型和主要性能參數(shù) 5.3.1 采樣保

4、持器的類型 采樣保持器可用通用的元件來組合，也可以使用集成式芯片，目前多數(shù)是使用集成采樣保持器芯片。采樣保持器按結構可分為串聯(lián)型和反饋型。,1串聯(lián)型采樣保持器的結構原理。 圖中A1和A2分別是輸人和輸出緩沖放大器，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，它由控制信號電壓UK控制其斷開或閉合。CH是保持電容器。,當開關K閉合時，采樣保持器為跟蹤狀態(tài)。由于A1是高增益放大器，其輸出電阻和開關K的導通電阻RON很小，輸入信號Ui通過Al對CH的充電速度很快，CH的電壓將跟蹤U1的變化。當K斷開時，采樣保持器從跟蹤狀態(tài)變?yōu)楸３譅顟B(tài)，這時CH沒有充放電回路，在理想

5、情況下，CH的電壓將一直保持在K斷開瞬間U1的最終值上 串聯(lián)型采樣保持器 優(yōu)點:結構簡單。 優(yōu)點:結構簡單。 缺點:其失調電壓為兩個運放失調電壓之和，比較大，影響其精度。另外，它的跟蹤速度也較低。 。,2反饋型采樣保持器反饋型采樣保持器的結構如圖所示。其輸出電壓Uo反饋到輸入端，使A1和A2共同組成一個跟隨器。,開關K1和K2有互補的關系，即當K1閉合時，K2斷開；K2閉合時，K1斷開。當Kl閉合，K2斷開時，兩塊運放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UC為UcU1+eos1-eos1式中eosl和eos2分別為運放A1，A2的失調電壓。當K1斷

6、開，K2閉合時，采樣保持器工作于保持狀態(tài)。此時，保持電容CH的端電壓Uc保持在Kl斷開瞬間U1的值上，使UO也保持在這個值上，即UOU1+eos2U1+eos1(52) 在保持狀態(tài)，影響輸出電壓精度的因素是保持狀態(tài)前瞬間A1運放的失調電壓。所以，這種類型的采樣保持器的精度要高于串聯(lián)型。 在保持狀態(tài)，影響輸出電壓精度的因素是保持狀 態(tài)前瞬間A1運放的失調電壓。所以，這種類型的 采樣保持器的精度要高于串聯(lián)型。 反饋型采樣保持器的跟蹤速度也較快，因為它是全反饋，直接把輸出UO與輸入Ui比較，如果UOUi，則其差被A1放大，迅速對CH充電。,5.3.2 采樣保持器的主要性能參數(shù) 1. 孔徑時間tAP

7、1. 孔徑時間tAP 孔徑時間tAP是指保持指令給出瞬間到模擬開關有效切斷所經歷的時間。 孔徑時間tAP是指保持指令給出瞬間到模擬開關 有效切斷所經歷的時間。 在采樣保持器中，由于模擬開關從閉合到完全斷開需要一定時間，當接到保持指令時，采樣保持器的輸出并不保持在指令發(fā)出瞬時的輸入值上，而會跟著輸入變化一段時間。 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誤差，該誤差稱為孔徑誤差。如果保持指令與AD轉換命令同時發(fā)出，則因有孔徑時間的存在，所轉換的值將不是保持值，而是在tAP時間內一個變化著的信號，這將影響轉換精度。,由于孔徑時間的存在，采樣保持器實際保持的輸出值與希

8、望的輸出值之間存在一定誤差，該誤差稱為孔徑誤差。如果保持指令與AD轉換命令同時發(fā)出，則因有孔徑時間的存在，所轉換的值將不是保持值，而是在tAP時間內一個變化著的信號，這將影響轉換精度。 時間tST 在tAP后的輸出還有一段波動，經過一定時間tST才保持穩(wěn)定。為了量化的準確，最好在發(fā)出保持指令后延遲一段時間，等采樣保持器的輸出穩(wěn)定后再啟動AD轉換。,2孔徑不定Tap 孔徑不定tAP是指孔徑時間的變化范圍。 孔徑不定tAP是指孔徑時間的變化范圍。 孔徑時間只是使采樣時刻延遲，如果每次采樣的延遲時間都相同，則對總的采樣結果的精確性不會有影響。但若孔徑時間在變化，則對精度就會有影響。如果改變保持指令發(fā)

9、出的時間，可將孔徑時間消除。因此，僅需考慮tAP對精度及采樣頻率的影響。 孔徑時間只是使采樣時刻延遲，如果每次采樣 的延遲時間都相同，則對總的采樣結果的精確性 不會有影響。但若孔徑時間在變化，則對精度就 會有影響。如果改變保持指令發(fā)出的時間，可將 孔徑時間消除。因此，僅需考慮tAP對精度及采 樣頻率的影響。 3捕捉時間tAC捕捉時間是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。它包括邏輯輸入開關的動作時間、保持電容的充電時間、放大器的設定時間等.,捕捉時間不影響采樣精度，但對采樣頻率的提高有影響。如果采樣保持器在保持狀態(tài)時的輸出為-FSR，

10、而在保持狀態(tài)結束時輸入已變至+FSR，則以保持狀態(tài)轉至跟蹤狀態(tài)采樣保持器所需的捕捉時間最長，產品手冊上給出的tAC就是指這種狀態(tài)的值。 4保持電壓的下降 當采樣保持器處在保持狀態(tài)時，由于保持電容器CH的漏電流使保持電壓值下降，下降值隨保持時間增大而增加，所以，往往用保持電壓的下降率來表示，即為 U/ T(V/s)=I(pA)/CH(pF) (5-3) 式中的I為保持電容CH的漏電流。 Cuo shi 選用優(yōu)質電容CH。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。 5饋送在采樣保持器處于保持狀態(tài)時，保持電容器CH上的電壓應與輸入電壓變化無關。但實際上由于斷開的模擬開關K存

11、在著寄生電容Cs。,輸入電壓Ui的交流分量將通過Cs加到CH上，使得輸入電壓Ui的變化也將引起輸出電壓UO的微小變化，這就是饋送。增大保持電容CH有利于減小饋送，但卻不利于采樣頻率的提高。 6電荷轉移偏差在保持狀態(tài)時，電荷通過寄生電容轉移到保持電容器上引起的偏差電壓，可通過加大保持電容器容量來克服。不過當增大保持電容時，也增大了采樣保持器的響應時間。 7跟蹤到保持的偏差跟蹤到保持的偏差是指跟蹤最終值與建立保持時的保持值之間的偏差電壓，這種偏差是電荷轉換誤差補償以后剩余的誤差。該誤差與輸入信號有關，是一個不可預估的誤差。 保持電容器的介質吸收對一個電容器充電到一定電壓Ue，然后對它短路放電一定時

12、間后再開路，電容器上的電壓將從零往Ue方向緩變。電容器表現(xiàn)出來的“電壓記憶”特性稱為電容器的介質吸收。此特性將對保持電壓產生誤差.,電容器介質吸收造成誤差的例子 電容器介質吸收造成誤差的例子 設保持電容原先的保持電壓為+5V，當由保持狀態(tài)轉為跟蹤狀態(tài)時，采樣保持器輸入電壓為-5V。 經過一段時間跟蹤，電容器電壓變?yōu)?5V，然后又轉為保持狀態(tài)。這時，電容器電壓會逐漸向+5V方向變動，使保持電壓發(fā)生變動，從而產生誤差。,符合高精度要求的電容器,5.4 5.4 系統(tǒng)采集速度與采樣保持器的關系 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采樣保持器用來對輸入AD轉換器的模擬信號進行采集和保持，以確保AD轉換的精度。要保證AD轉

13、換的精度，就必須確保AD轉換過程中輸入的模擬信號的變化量不得大于LSB/2。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，如果模擬信號不經過采樣保持器而直接輸入AD轉換器，那么，系統(tǒng)允許該模擬信號的變化率就得降低。 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，直接用AD轉換器對模擬信號進行轉換時，應該考慮到任何一種AD轉換器都需要一定轉換時間來完成量化和編碼等過程。AD轉換器的轉換時間取決于轉換的位數(shù)、轉換的方法、采用的器件等因素。如果在轉換時間tCONV內，輸入的模擬信號仍在變化，此時進行量化顯然會產生一定的誤差。,一個n位的AD轉換器能表示的最大數(shù)字是2N，設它的滿量程電壓為FSR，則它的“量化單位”或最小有效位LSB所代表的電壓UI=FSR

14、2n。如果在轉換時間tCONV內，正弦信號電壓的最大變化不超過1LSUm=FSR條件下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集的最高信號頻率為 B所代表的電壓，則在 fmax=1/(2ntCONV) 若允許正弦信號變化為LSB2，則系統(tǒng)可 采集的最高信號頻率為 fmax=1/(2n+1tCONV),結 論 系統(tǒng)可采集的信號頻率受AD轉換器的位數(shù)和轉換時間的限制。,例 已知AD轉換器的型號為ADC0804，其轉換時間tCONV=100s(時鐘頻率為640kHz)，位數(shù)n=8，允許信號變化為LSB2，計算系統(tǒng)可采集的最高信號頻率。 解：由式(55)知fmax=1/(2n+1tCONV)=1/(28+1*3.14*10

15、0*10-6)=6.22(HZ) 結論：無采樣保持器的系統(tǒng)只能對頻率低于6.22Hz的信號進行采樣。 加采樣保持器后，這樣就變成在t=tAP內，即在采樣保持器的孔徑時間內討論系統(tǒng)可采集模擬信號的最高頻率。仍考慮對正弦信號采樣，則在n位AD轉換器前加上采樣保持器后，系統(tǒng)可采集的信號最高頻率為fmax=1/(2n+1tAP),結論孔徑時間tAP一般遠遠小于AD轉換器的轉換時間tCONV，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)。,例 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)。已知的孔徑時間tAP=50ns，ADC0804的轉換時間

16、tCONV=l00s(時鐘頻率為640kHz)，計算系統(tǒng)可采集的最高信號頻率。 AD582 解：由式(56)知fmax=1/(2n+1tAP)=1/(28+1*3.14*50*109)=12440.3(HZ)使用采樣保持器后，系統(tǒng)能對頻率不高于1244kHz正的信號進行采樣，使系統(tǒng)可采集的信號頻率提高了許多倍，大大改善了系統(tǒng)的采樣速率。,由采樣定理可知，一個有限帶寬的模擬信號是可以在某個采樣頻率下重新恢復而不喪失任何信息的，該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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須在速率至少為兩倍的信號頻率下采樣、轉換，并采集下一個點。因此，系統(tǒng)可處理的最高輸入信號頻率應為fm

17、ax=1/(2(tAC+tCONV+tAP)式中tAC采樣保持器的捕捉時間；tAP采樣保持器的最大孔徑時間(包括抖動時間)；tCONVAD轉換器的轉換時間。,例 用采樣保持器芯片AD582和AD轉換器芯片ADC0804組成一個采集系統(tǒng)。已知的捕捉時間tAC=6s，孔徑時間tAP=50ns，ADC0804的轉換時間conv=100s(時鐘頻率為640kHz)，計算系統(tǒng)可采集的最高輸入信號頻率。 AD582 解：tAP與tAC和tCONV相比，可以忽略。根據(jù)式(57)可知fmax=1/2(tAC+tCONV)=1/2*(6*10-6+100*10-6)=4.72*103(Hz),5.5 采樣保持器

18、集成芯片 5.5 采樣保持器集成芯片 目前，采樣保持器大多數(shù)是集成在一塊芯片上，芯片內不包含保持電容器，保持電容器是由用戶根據(jù)需要自選并外接在芯片上。,5.5.1 AD582是美國Analog Devices公司生產的通用型采樣保持器(國產型號5G582)。它由一個高性能的運算放大器、低漏電阻的模擬開關和一個由結型場效應管集成的放大器組成。它采用14腳雙列直插式封裝.,其中腳1是同相輸入端，腳9是反相輸入端，保持電容CH接在腳6與腳8之間，腳10和腳5是正負電源，腳11和腳12是邏輯控制端，腳3和腳4接直流調零電位器，腳2，7，13，14為空腳(Nc)。 (1)有較短的信號捕捉時間，最短達6s

19、。該時間與所選擇的保持電容有關，電容值越大，捕捉時間越長，它影響采樣頻率。(2)有較高的采樣保持電流比，可達107。該值是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，是表征采樣保持器質量的標志。(3)在采樣和保持模式時有較高的輸入阻抗，約30M歐姆。(4)輸入信號電平可達電源電壓Us，可適用于12位A/D轉換器。(5)具有相互隔開的模擬地、數(shù)字地，從而提高了抗干擾能力。,(6)具有差動的邏輯輸入端，+IN相對IN的輸入電壓在-6V08V時，AD582處于跟蹤模式，+I偏置為+2V N 之間時處于保持模式，跟蹤與保持將受控于差動邏輯輸入的絕對電壓值. (7)AD582可與任何獨立的運算放

20、大器連接，以控制增益或頻率響應，以及提供反相信號等。,AD582是反饋型采樣保持器，不過保持電容接在運算放大器(以后簡稱“運放”)A2的輸出端(腳8)與反相輸入端(腳6)之間。根據(jù)“密勒效應”，這樣的接法相當于在A2的輸入端接有電容CH=(1+A2)CH(A2為運算放大器A2的的放大倍數(shù))。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(01)而速度要求較高時，可選CH=100pF，這時的捕捉時間tAc6s。當精度要求較高(0015)時，為減小饋送的影響和減緩保持電壓的下降，應取CH=1000pF.,圖510是增益為1，輸出不反相的連接線 路。在此電路中只須外接電容器CH

21、和電流 的旁路電容，一般可增加調零電位器 (10kQ)。 圖511是輸出不反相電路，電路增益可由外接電阻來選擇，增益K=(1十RFR1)。 5.5.2 LFl98 LF198是美國National Semiconductor公司生產(與LF298，LF398電路相同，僅某些特性參數(shù)有區(qū)別) 的采樣保持器。它由A1，A2兩個運算放大器、模擬開關和開關驅動電路、三極管D1和D2構成的保護電路等組成。它采用8腳雙列直插或金屬管殼式封裝。,LFl98也是反饋型采樣保持器，當LFl98處于跟蹤狀態(tài)時，Ul=Uo，因而D1和D2均不導通，相當于K2開路。當處于保持狀態(tài)時，D1或D2之一導通(視UI為正或負

22、而定)，使A1的輸出U0與UI之差為一二極管的壓降。此外，LFl98可外接電位器作直流和交流的凋零。直流凋零是補償運算放大器的失調電壓，與一般運算放大器的調零相同。交流調零方法是把模擬開關的控制電壓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。LF198的供電電壓為5V18V?？刂齐妷篣K(控制端8和7之間電壓)為TTL電平，7端接數(shù)字地，當8端為高電平(UK1.4V)時，LF198處于跟蹤狀態(tài)，當UK負跳變(從“1”變?yōu)椤?”)時，轉向保持狀態(tài)。 LF198 LF198與AD5

23、82的性能基本相同，只是采樣保持所需的控制電平二者相反，AD582在+IN=“1“及-IN=“0”時是保持狀態(tài)，除此之外的任何時候，芯片都處于跟蹤狀態(tài)。對于LF198來說，在十IN=“0”及IN=“0”時處于保持狀態(tài)，只有當-IN不變、十IN變到“1”時，才唯一地轉換到跟蹤狀態(tài)。僅由保持狀態(tài)轉換到跟蹤狀態(tài)這一點來看，AD582為使用提供了更多的方便。,56 采樣保持器使用中應注 采樣保持器使用中應注 意的問題意的問題561 采樣保持器選用時應注意的問題采樣保持器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常用來為AD轉換器提供恒定的采樣值，它位于模擬信號源與AD轉換器之間。每一次數(shù)據(jù)采集過程都包括一次采樣和一次AD轉換

24、，所以采樣保持器和AD轉換器各完成一次動作所需時間之和應小于采樣周期Ts。設AD轉換的時間為tCONV，則應有tAC十tST+tCONVTs或fS=1/TS1/(tAC+tCONV) (58),tAc為采樣保持器的捕捉時間，tST為采樣保持器的設定時間。在精度不高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，使采樣保持器由采樣轉入保持的指令同時又是啟動AD)轉換的指令，這時tST可以不考慮。這里應注意，采樣保持器的捕捉時間tAC是指一定的階躍輸入(通常為10V)下，其輸出進入其穩(wěn)態(tài)值附近某一定誤差范圍內所需的時間。因而tAC與規(guī)定誤差范圍有關，也與采樣保持器所選保持電容CH的大小有關。,例如，AD582的捕捉時間在CH=

25、10pF，精度為01時為6s；而在CH=1000pF，精度為001時為25s。采樣保持器捕捉時間的大小應與AD轉換器的精度配合。例如，8位AD轉換器的精度等于2-8=1256=039，所以與之相配的采樣保持器的誤差帶可取為02(0106)。如果AD轉換器是12位的，則應取采樣保持器的誤差帶為001(0005)。 采樣保持器的保持電壓下降率決定了在AD轉換期間加到AD轉換器輸入端的電壓的穩(wěn)定程度。為了保證數(shù)據(jù)采集精度，應使在AD轉換時間tCONV內，采樣保持器的保持電壓下降不超過LSB2，即要使采樣保持器的保持電壓下降率為dU/dtLSB/2tCONV當dUdt根據(jù)LSB定出后，可按式(53)校核C