2.3采样保持器
2.3采样保持器
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捕捉时间不影响采样精度，但对采样频率的提高有影响。如果采样／
保持器在保持状态时的输出为-FSR，而在保持状态结束时输入已变至
+FSR，则以保持状态转至跟踪状态采样／保持器所需的捕捉时间最长，
产品手册上给出的tAC就是指这种状态的值。
使用采样／保持器后，系统能对频率不高于12．44kHz
正的信号进行采样，使系统可采集的信号频率提高了
许多倍，大大改善了系统的采样速率。
由采样定理可知，一个有限带宽的模拟信
号是可以在某个采样频率下重新恢复而不丧失
任何信息的，该采样频率至少应两倍于最高信
号频率。这意味着带采样／保持器的数据采集
系统必须在速率至少为两倍的信号频率下采样、
知的捕捉时间tAC=6μs，孔径时间tAP=50ns，
ADC0804的转换时间conv=100μs(时钟频率
为640kHz)，计算系统可采集的最高输入信
号频率。
• AD582
• 解：tAP与tAC和tCONV相比，可以忽略。
根据式(5—7)可知
fmax=1/2(tAC+tCONV)=1/2*(6*106+100*10-6)=4.72*103(Hz)
• •设保持电容原先的保持电压为+5V，当由保持
状态转为跟踪状态时，采样／保持器输入电压
为-5V。
• 经过一段时间跟踪，电容器电压变为-5V，然
后又转为保持状态。这时，电容器电压会逐渐
向+5V方向变动，使保持电压发生变动，从而
产生误差。
符合高精度要求的电容器
毕业设计电子秤的设计
目录第一节绪论 (3)1.1本设计的任务和主要内容 (3)第二节硬件电路设计 (4)2.1传感器的选择 (4)2.1.1应变式电阻传感器的测量原理 (4)2.1.2传感器的分类和选择 (4)2.2放大电路的设计 (5)2.3采集电路的设计 (5)2.3.1数据采集系统的组成 (5)2.3.2数据采样保持器 (6)2.3.3 A/D转换器 (6)2.4显示电路的设计 (7)2.5键盘电路的设计 (8)2.6报警电路的设计 (9)第三节软件的设计 (9)3.1监控程序的设计 (9)3.2数据处理子程序的设计 (9)3. 2.1数制转换 (9)3.3数据采集子程序的设计 (10)3.4数据显示子程序的设计 (11)3.5键盘扫描子程序的设计 (12)3.6报警子程序的设计 (13)第四节设计总结 (15)参考书籍 (1)6程序附图..............................................................................17电子秤的设计数理与信息工程学院电信041班黄伟东指导老师余水宝第一节绪论随着时代科技的迅猛发展微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高做为重量测量仪器智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确测量速度快易于实时测量和监控的巨大优点并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称成为测量领域的主流产品本文设计的电子秤以单片机为主要部件用汇编语言进行软件设计硬件则以半桥传感器为主测量0～500g电子秤随时可改变上限阈值并达到阈值报警的功能称重传感器输出的电量是模拟量数值比较小达不到A/D转换接收的电压范围所以送A/D转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理然后A/D转换的结果才能送单片机进行数据处理并显示其数据显示部分采用LCD显示成本低且能很好地实现所要求的功能1.1本设计的任务和主要内容设计的主要内容如下（1）设计一款电子秤用LED液晶显示器显示被称物体的质量（2）可以设定该秤所称的上限（3）当物体超重时能自动报警（4）写出详细的实验报告第二节电子秤的硬件设计2.1 传感器的选择2.1.1应变式电阻传感器的测量原理应变式电阻传感器的工作原理：当导体或半导体受到外力作用时会产生机械变形从而导致阻值变化导体与半导体的电阻与电阻率及其几何尺寸有关当导体受外力作用时电阻率及几何尺寸的变化会引起电阻的变化因此通过测量电阻值的大小就可以反映外界力的大小电阻型应变片传感器的测量电路可采用桥式测量电路桥式测量电路有四个电阻其中任何一个电阻均可以是应变片图2.1.1 桥式测量电路图如能恰当的选择个桥臂的电阻可以消除电桥的恒定输出使输出电压只与应变片的电阻有关2.1.2传感器的分类和选择应变片式电阻传感器按其测量电路（桥式）可分为单臂式、半桥式、全桥式三种所谓半桥即将电桥的四臂接入四应变片其中：一片受拉一片受压另外两应变片不受力全桥是两片受拉两片受压故灵敏度比半桥式的大一倍本方案采用半桥式传感器2.2 放大电路的设计传感器输出电压为毫伏级而A/D转换器所能处理的电压是0～5V所以必须在A/D转换器前加入一个前置差动放大电路以实现电压的放大放大倍数为100～200倍使输出电压为0～5V由于单运放在应用中要求外围电路匹配精度高、增益调整不便、差动输入阻抗低故采用三运放结构三运放结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点且有良好的温度稳定性低噪单端输出和和增益调整方便适于在传感器电路中应用如图3-2所示图中为增益调节电阻整个芯片仅为外接电阻而运放为增益为1的差动输入放大器图2.2.1 放大电路硬件原理图2.3采集电路的设计2.3.1数据采集系统的组成数据采集系统的核心是计算机他对整个系统进行控制和数据处理他由采样/保持器放大器A/D转换器计算机组成2.3.1 数据采样系统框图2.3.2数据采样保持器进行模数变换时从启动变换到变换结束的数字量输出需要一定的时间即A/D转换的孔径时间当输入信号频率较高由于孔径时间的存在会造成较大的转换误差；为了防止误差需在中间加一个功能器件采样/保持器进行有效、正确的数据采集采样/保持器通常由保持电容器、模拟开关和运算放大器组成其中对于低速场合可以采用继电器作为开关以减小开关漏电流的影响；在高速场合也可以用晶体管、场效应管来作为开关采样保持器的原理：如图当开关闭合时V1通过限电流电阻向电容C充电在电容值合理的情况下V0随Vi的变化而变化；当K断开时由于电容C有一定的容量此时输出V0保持输入信号再开断开瞬间的电平值图2.3.2 采样保持原理图在模拟信号输入通道中是否需要加采样/保持器取决于模拟信号的变化频率和A/D转换器的孔径时间；对快速过程信号当最大孔径误差超过允许值时必须在A/D转换器前加采样/保持器但如果输入模拟量是直流量或者被测信号模拟量随时间变化非常缓慢采样/保持（S/H）电路可以省去2.3.3 A/D转换器设计中A/D转换器用的是ADC0809 A/D转换器它是8路8位逐次逼近式转换器结果为8位二进制数据转换时间短（一般在级）满足题目要求的"实时采样"并且它的转换精度在0.1%上下比较适中适用于一般场合由图2.3.3可见单片机通过读控制线WR和0809片选线控制启动A/D转换及输入通道地址锁存写控制线WR与ADC0809片选线控制输出允许由于ADC0809具有通道地址锁存功能通道选择ADD.A、ADD.B、ADD.C直接接单片机的数据口模拟电压由IN0通道输入A/D采样电压在0～5v之间变化所模拟通道IN0地址口为0AOOOH但是ADC0809无内置时钟所以CLOCK由外部时钟信号控制图2.3.3 A/D转换器和单片机的接口电路2.4 显示电路的设计显示部分可以将处理得出的信号在显示器上显示让人们直观的看到被测体的质量也可以进行报警提示LCD液晶显示器是一种极低功耗显示器从电子表到计算器从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器本设计采用的显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块可显示汉字及图形内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）可与CPU直接接口提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等2.5 键盘电路的设计利用键盘可选择电子秤工作模式、设定测量上限等键盘部分采用矩阵式的键盘采用这种结构的特点是把检测线分为两组一组为行线一组为列线按键放在行线和列线的交叉点上矩阵式的键盘的优点是需要的测试线的数量少对于一个M×N的矩阵键盘与主机连接只需要M+N条测试线这样键盘的规模越大矩阵时键盘的有点越显著当需要的按键数目大于8时一般都采用矩阵式键盘图 2.5.1 矩阵式键盘结构图2.6 报警电路的设计报警电路是超过设定的范围单片机输出信号驱动蜂鸣器发声警报如图所示当BDLL端为低电平时有电流通过蜂鸣器蜂鸣器报警反之不报警这里设定当超过质量的上限时通过软件使8031的P1.0口清零再过P1.0口出来的低电平信号连接到BELL端蜂鸣器发声报警图2.6.1 报警电路第三节电子秤的软件设计3.1监控程序的设计智能仪器的设计既要满足设定的功能的完成如计算等功能的任务功能程序也要有可以监控仪器仪表正工作保证其可靠性方面的监控程序整个智能仪器的测量都是智能仪器自动完成的所以设计一套功能完备的监控程序是必须的也是必要的监控程序的主要作用是实时的响应来自系统的各种信息按信息的类别进行处理；当系统出现故障时能自动的采取有效的措施消除故障保证系统能够继续进行正常工作3.2 数据处理子程序的设计数据处理子程序是整个程序的核心主要用来调整输入值系数使输出满足量程要求另外完成A/D的采样结果从十六进制数向十进制数形式转化3．2．1系数调整在IN0输入的数最大为5V要求的质量500g对应的是4.8V为十六进制向十进制转换方便将系数放大100倍并用小数点位置的变化体现这一过程因而系数为：3．2．2数制转换数制之间的转换：在二进制数制中每向左移一位表示数乘二倍以每四位作为一组对数分组当第四位向第五位进位时数由8变到16若按十进制数制规则读数则丢失6所以应进行加六调整DA指令可完成这一调整可见数制之间的转换可以通过移位的方法实现其中移出数据的保存可以通过自乘再加进位的方法实现因为乘二表示左移一位左移后低位进一则需加一否则加零而通过移位已将要移入的尾数保存在了进位位中所以能实现图3.2.2 数据处理原理框图3.3 数据采集子程序的设计数据采集用A/D0809芯片来完成主要分为启动、读取数据、延时等待转换结束、读出转换结果、存入指定内存单元、继续转换（退出）几个步骤ADC0809初始化后就具有了将某一通道输入的0～5模拟信号转换成对应的数字量00H-FFH然后再存入8031内部RAM的指定单元中在控制方面有所区别可以采用程序查询方式延时等待方式和中断方式图3.3.1 数据采样原理框图3.4显示子程序的设计显示子程序是字符显示首先调用事先编好的8279的键盘显示子程序调用8279初始化命令然后输出写显示命令在显示过程中一定要调用延时子程序当输入通道采集了一个新的过程参数或仪表操作人员键入一个参数或仪表与系统出现异常情况时显示管理软件应及时调用显示驱动程序模块以更新当前的显示数据显示符号图3.4.1 显示原理框图3.5 键盘扫描子程序的设计如图3.4.1所示：键盘电路设计成4X4矩阵式由键盘编码方式可以得出0123456789ABCDEF各键对应的键值：0D8H0D0H0D1H0D2H0C8H0C9H0CAH0C0H0C1H0C2H0C3H0CBH0D3H0DBH0DAH0D9H在程序中可以先判断按键编码然后根据编码将键盘代表的数值送到相应的存储单元再进行功能选择或数据处理图3.5.1键盘扫描原理框图3.6报警子程序的设计由于要求要键盘设定阈值所以要求有报警电路报警电路可以有声报警也可有光报警将设定的阈值与实时显示的值进行比较如果设定值小于实时显示的值则将P1.0置为1将发光二极管点亮或使蜂鸣器发出声音这就需要一段比较程序以及一小段置1清0程序图3.6.1 报警原理框图第四节设计总结随着集成电路和计算机技术的迅速发展使电子仪器的整体水平发生巨大变化传统的仪器逐步的被智能仪器所取代智能仪器的核心部件是单片机因其极高的性价比得到广泛的应用与发展从而加快了智能仪器的发展而传感器作为测控系统中对象信息的入口越来越受到人们的关注传感器好比人体"五官"的工程模拟物它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次课设中的半桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的因此只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求首先是传感器的精密度它将直接影响电子秤的称重准确度课设时由于传感器发出的信号不是很稳定所以称重时误差很大如果使用精密度较高的传感器效果会好的多其次是数据采集处理阶段此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集主要分为信号放大、采集然后进行A/D转换该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时应选取合适的运算放大电路最好是预先计算好应放大的倍数以便选取还有就是进行数据处理时选取适当的数据转换系数使输出满足量程要求参考文献1．赵茂泰.智能仪器原理及应用.电子工业出版社2004：2．张毅刚.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社2003：3．贾伯年俞朴.传感器技术.东南大学出版社2000：4．单成祥.传感器理论设计基础及其应用.国防工业出版社1999：5．李道华李玲朱艳.传感器电路分析与设计.武汉大学出版社2000：程序附图定义中文LCD液晶 128X64 的地址W_C_GLCD XDATA 0E000HW_D_GLCD XDATA 0E001HR_B_GLCD XDATA 0E002HR_D_GLCD XDATA 0E003H;------------------------------------------------------- TIMER0 DATA 30H ;延时时间的初值TIMER1 DATA 31H ;调用延时子程序的次数DATA1 DATA 32H ;点阵显示的变量1DATA2 DATA 33H ;点阵显示的变量2X DATA 34H ;X方向的位置Y DATA 35H ;Y方向的位置COUNTER DATA 36H ;计数器N DATA 37H ;行数变量D1 DATA 38H ;点变量1D2 DATA 39H ;点变量1ADDR DATA 3AH ;起始的显示位置ADDR1 DATA 3BH ;起始的显示位置临时变量N1 DATA 3CH ;行数的临时变量;******************************************************* ;* 主程序开始;******************************************************* ORG 0000HAJMP STARTORG 0030HSTART: CLR P1.0SETB P1.1MOV SP#60HLCALL INITIAL_GLCD ; 调用LCD初始化LCALL KAIJI ; 显示开机画面LCALL DELAY500LCALL DELAY500LCALL DELAY500LCALL TISHI ; 显示主界面LCALL INI_8279------------------------------------------------；判断是否继续------------------------------------------------------------------ KEY-A： MOV DPTR#8101HMOVX A@DPTRANL A#07HCJNE A#00HLP1SJMP KEY-AMOV DPTR@8100HMOVX ADPTRCJNE A0DBHKEY-AAJMP K1LCALL YUZHILCAL celianjieguoLCALL CELINGJIEGUOAJMP $各界面显示内容DHTABLE1: DB " 欢迎使用 "DHTABLE2: DB " 半桥电子秤"DHTABLE3: DB " ********* "DHTABLE4: DB " ********* "DHTABLE5: DB " *********** "DHTABLE6: DB " 设置警报上限 "DHTABLE7: DB " 确定 "DHTABLE8: DB " 请按D 键 "DHTABLE9: DB " "DHTABLE10: DB " 报警上限重量: "DHTABLE11: DB " . g "DHTABLE12: DB " 确定(E) "CELIANG1: DB " 电子秤 "CELIANG2: DB " 重量是: "CELIANG3: DB "CELIANG4:DB " 返回 (F) ";======================================================= ;开机界面子程序;======================================================= KAIJI: MOV ADDR1#00H ; 第一行显示MOV N1#08H ; 数量 8 个MOV DPTR#DHTABLE1 ; 需要显示的汉字位置CALL DHZ ; 调用汉字子序MOV ADDR1#10H ; 第二行显示MOV N1#08HMOV DPTR#DHTABLE2CALL DHZMOV ADDR1#08H ; 第三行显示MOV N1#08HMOV DPTR#DHTABLE3CALL DHZMOV ADDR1#18H ; 第四行显示MOV N1#08HMOV DPTR#DHTABLE4CALL DHZRET;======================================================= ;提示界面子程序;======================================================= TISHI: LCALL CLEAR_GLCD ; 清除LCD显示屏幕MOV ADDR1#00HMOV N1#08HMOV DPTR#DHTABLE5CALL DHZMOV ADDR1#10HMOV N1#08HMOV DPTR#DHTABLE6CALL DHZMOV ADDR1#08HMOV N1#08HMOV DPTR#DHTABLE7CALL DHZMOV ADDR1#18HMOV N1#08HMOV DPTR#DHTABLE8CALL DHZRETSHEDING: LCALL CLEAR-GLCDMOV ADDR1#00HMOV N108HMOV DPTR#DHTALBE9CALL DHZMOV ADDR1#10HMOV N108HMOV DPTRCALL DHZMOV ADDR1#08HMOV N108HMOV DPTR#DHTALBE11CALL DHZMOV ADDR1#18HMOV N108HMOV DPTR#DHTALBE12CALL DHZRET测量界面子程序Celiangjieguo: LCALL CLEAR_GLCD ; 清除LCD显示屏幕MOV ADDR1#00HMOV N1#08HMOV DPTR#DHTABLE1CALL DHZMOV ADDR1#10HMOV N1#08HMOV DPTR#DHTABLE2CALL DHZMOV ADDR1#08HMOV N1#08HMOV DPTR#DHTABLE3CALL DHZMOV ADDR1#18HMOV N1#08H#DHTABLE4CALL DHZEND1坏人固然要防备，但坏人毕竟是少数，人不能因噎废食，不能为了防备极少数坏人连朋友也拒之门外。
第2章 微机保护基础(1)
1、电压变换器（UV）
电压变换器原理接线如图2-11所示，UV原方与电压互感器相 联，TV二次侧有工作接地，UV副方的“直流地”为保护电源 的0V，电容C容量很小，起抗干扰作用。
图2-11 电压变换器应用
2、电流变换器（UA）
电流变换器与电压变换器不同，从UA原方看进去，输入阻抗 很小，对于负载而言UA可以看成一个电流源。电流变换器应 用接线如图2-12所示。
图2-4 采样保持过程示意图
2) 采样频率的选择
采样间隔Ts 的倒数称为采样频率fs。
采样频率越高，要求CPU 的运行速度越高。 因为微机保护是一个实时系统，数据采集系 统以采样频率不断地向微型机输入数据，微 型机必须要来得及在两个相邻采样间隔时间 Ts内处理完对每一组采样值所必须做的各种 操作和运算，否则CPU 跟不上实时节拍而无 法工作。相反，采样频率过低，将不能真实 地反映采样信号的情况。 采样函数为一周期信号,采样间隔Ts太大，就 会有一部分相互交迭，新合成的X(f)*G(f)图 形与X(f)/Ts不一致，这种现象称为迭混。 为了避免迭混以便采样后仍能准确地恢复原 信号，采样频率fS必须大于信号最高频率fC 的两倍，即fS＞2fC，这就是采样定理。
<1>采样频率的方式选择
<2>.对多个模拟输入信号的采样方式
微机继电保护绝大多数的算法都是基于多个 模拟输入信号（如三相电压、三相电流等） 采样值进行计算的。如何对多个信号进行采 样，根据多个模拟输入信号在采样时刻上的 对应关系，可分别采用以下三种采样方式： 1、同时采样 2、顺序采样 3、分组同时采样
例
图
MAX125内部结构图
2.1.1
模拟数据采集系统
注册电气工程师考试大纲
《注册电气工程师考试大纲》编者按：自中国建筑学会建筑电气分会和全国情报网于2002年5月召开会议，传达有关注册电气工程师考试问题后，广袤建筑电气工程技术人员对此特别关注。
为了使大家对注册电气工程师资格考试有所了解，现转载有关《注册电气工程师考试大纲》（送审稿）摘选，该送审稿原则上获得同意，其内容将不会有大的变动，待正式获得批准后，我们将会使其尽快和广袤读者见面。
专业基础部分考试大纲1、电路和电磁场1．1 电路的基本概念和基本定律（1）驾驭电阻、独立电压源、独立电流源、受控电压源、受控电流源、电容、电感、耦合电感、志向变压器诸元件的定义、性质（2）驾驭电流、电压参考方向的概念（3）娴熟驾驭基尔霍夫定律1．2 电路的分析方法（1）驾驭常用的电路等效变换方法（2）娴熟驾驭节点电压方程的列写方法，并会求解电路方程（3）了解回路电流方程的列写方法（4）娴熟驾驭叠加定理、戴维南定理和诺顿定理1．3 正弦电流电路（1）驾驭正弦量的三要素和有效值（2）驾驭电感、电容元件电流电压关系的相量形式及基尔霍夫定律的相量形式（3）驾驭阻抗、导纳、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数的概念（4）娴熟驾驭正弦电流电路分析的相量方法（5）了解频率特性的概念（6）娴熟驾驭三相电路中电源和负载的联接方式及相电压、相电流、线电压、线电流、三相功率的概念和关系（7）娴熟驾驭对称三相电路分析的相量方法（8）驾驭不对称三相电路的概念1．4 非正弦周期电流电路（1）了解非正弦周期量的傅立叶级数分解方法（2）驾驭非正弦周期量的有效值、平均值和平均功率定义和计算方法（3）驾驭非正弦周期电路的分析方法1．5 简洁动态电路的时域分析（1）驾驭换路定则并能确定电压、电流的初始值（2）娴熟驾驭一阶电路分析的基本方法（3）了解二阶电路分析的基本方法1．6 静电场（1）驾驭电场强度、电位的概念（2）了解应用高斯定律计算具有对称性分布的静电场问题（3）了解静电场边值问题的镜像法和电轴法，并能驾驭几种典型情形的电场计算（4）了解电场力及其计算（5）驾驭电容和部分电容的概念，了解简洁形态电极结构电容的计算1．7 恒定电场（1）驾驭恒定电流、恒定电场、电流密度的概念（2）驾驭微分形式的欧姆定律、焦耳定律、恒定电场的基本方程和分界面上的连接条件，能正确地分析和计算恒定电场问题（3）驾驭电导和接地电阻的概念，并能计算几种典型接地电极系统的接地电阻1．8 恒定磁场（1）驾驭磁感应强度、磁场强度及磁化强度的概念（2）了解恒定磁场的基本方程和分界面上的连接条件，并能应用安培环路定律正确分析和求解具有对称性分布的恒定磁场问题（3）了解自感、互感的概睿私饧钢旨虻ソ峁沟淖愿泻突ジ械募扑?br>（4）了解磁场能量和磁场力和计算方法1．9 匀整传输线（1）了解匀整传输线的基本方程和正弦稳态分析方法（2）了解匀整传输线特性阻抗和阻抗匹配的概念附：参考书目电路（第三版）上、下册邱关源主编高等教化出版社2、模拟电子技术2．1 半导体及二极管（1）驾驭二极管和稳压管特性、参数（2）了解载流子，扩散，漂移；PN结的形成及单向导电性2．2 放大电路基础（1）驾驭基本放大电路、静态工作点、直流负载和沟通负载线。
采样／保持器.ppt
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孔径时间 tAP（Aperture time）
Vo max Vm
tAP
2
ftAP
1 2n1
由此可得
f
1
2n2 tAP
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孔径时间 tAP（Aperture time）
如 AD582的tAC在CH= 100pF，10 V阶跃输 入，0.l％的逼近误差时为 6μs，而 CH=1000pF，0.01％的逼近误差时为 25μs。 通常 用τ=RCH来估算捕捉时间tAC 。式中 R为充电回路中的电阻值，CH为保持电容 值，若要求逼近精度为0.l％，则电容至少 应充电到稳态值的99.9%，tAC=7τ；逼近精 度为 0.05％，则tAC= 7.6τ。
馈送误差常用输入电压的百分数或分贝值来
表示，它主要取决于开关的极间电容和保持
电容的比值。
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A1
S/H
A/D
I/O
A2
S/H
A/D
I/O
…
…
…
…
An
S/H
A/D
I/O
并行多通道A/D
A1
S/H
A2
S/H
…
…
An
S/H
多路
开关
A/D
I/O
MUX
共享A/D的多通道
CPU CPU
A1
多路
开关
A2
MUX
S/H
A/D
I/O
CPU
…
An
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共享S/H和A/D的多通道
采样保持器
采样保持器采样保持器计算机系统模拟量输入通道中的一种模拟量存储装置。
它是连接采样器和模数转换器的中间环节。
采样器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取出被处理信号的值。
采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。
在模数转换器工作期间采样保持器一直保持着转换开始时的输入值，因而能抑制由放大器干扰带来的转换噪声，降低模数转换器的孔径时间，提高模数转换器的精确度和消除转换时间的不准确性。
一般生产过程控制计算机的模拟量输入可能是每秒几十点、几百点，对于大型系统甚至上千点,往往需要高速采样(如5000～10000点／秒)。
为使这些模拟量信号逐个地送到模数转换器，而不至降低被测信号的真实性，必须采用采样保持器。
在低速系统中一般可以省略这种装置。
原理采样保持电路由模拟开关、存储元件和缓冲放大器A组成。
在采样时刻，加到模拟开关上的数字信号为低电平，此时模拟开关被接通，使存储元件（通常是电容器）两端的电压UB随被采样信号UA变化。
当采样间隔终止时，D变为高电平,模拟开关断开,UB则保持在断开瞬间的值不变。
缓冲放大器的作用是放大采样信号，它在电路中的连接方式有两种基本类型：一种是将信号先放大再存储，另一是先存储再放大。
对理想的采样保持电路，要求开关没有偏移并能随控制信号快速动作，断开的阻抗要无限大，同时还要求存储元件的电压能无延迟地跟踪模拟信号的电压，并可在任意长的时间内保持数值不变。
光栅的组成结构和检测原理光栅是一种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，制成的光学元件。
数控机床上用的光栅尺，是利用两个光栅相互重叠时形成的莫尔条纹现象，制成的光电式位移测量装置。
按制造工艺不同可分为透射光栅和反射光栅。
透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透明的线纹制成的，线纹密度可达到每毫米100条以上；反射光栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，利用反射光进行测量，其刻线密度一般为每毫米4～50条。
信号的采集与处理
数单 字片 信机 号
电 平 转 换 电 路
计 算 机
数据采集系统的构成
• 传感器：将非电量转换成电信号输出。 • 调理通道：完成模拟信号的衰减、放大、隔离、滤波
、传感器激励和线性化等功能。 • 采样保持器：保证A/D转换过程中信号的稳定。 • A/D转换器：将模拟量转换成数子量。 • 单片机：进行数据采集。 • 电平转换电路：将TTL电平1转换成RS232C 2电平。 • 计算机：接收数据并进行处理。
两者区别
①模拟信号是用模拟量的电压或电流来表示的信号，时间上是连续的，幅度变 化也是连续的。 ②数字信号是通过0和1的数字串所构成的数字流来传输的，幅度变化是跳变的 。
数据采集系统的构成
一个典
物传 理感 信器 号
调 电理 信通 号道
采
电 信 号
样 保 持 器
AD 电转
Av
1
RF R1
R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来 确定。
C1 C3 (3 ~ 10) /(2RL fL )
调理通道
2.滤波电路
滤波可以消除噪声和不必要的干扰，噪声滤波器通常用于输入的信号是直流信号 。许多仪器信号调理模块都有合适的低通滤波器。交流信号通常需要抗失真的低通滤 波器，因为这样的滤波器有一个陡峭的截止频率，因而几乎能够完全消除高频干扰信 号。
备注: 1:晶体管-晶体管逻辑电平；2：一种串行物理接口标准
传感器
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息， 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、 处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要 环节。
采样保持器课件
D
+5V
R1
+
I
C R2 V
-
R2
I
+ R1
C
R3
+ A
-
R5 V
R4
(a) 无源I/V变换电路
(b) 有源I/V变换电路
图 图2-23电-2流电/电流压/变电换压电变路换电路
有源I/V变换
有源I/V变换是利用有源器件——运算放大器
和电阻电容组成，如图3-2（b）所示。利用同
相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准
输出电压。该同相放大电路的放大倍数为
G V 1 R4
IR1
R3
(3-1)
若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ， 则输入电流 I 的0 ~ 10 mA就对应电压输出V的0 ~ 5 V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ， 则4 ~ 20 mA的输入电流对应于1 ~ 5 V的电压输 出。
采样保持器
1、 零阶采样保持器--零阶采样保持器是在两次采样的
间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它 的组成原理电路与工作波性如图3-8(a)、(b)所示。
采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、
保持电容CH等组成。采样期间，开关S闭合，输入电压VIN 通过A1对CH快速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保持
结构原理
现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构原 理如图3-3所示。CD4051由电平转换、译码驱动及 开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后级 通道断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通；当为 “0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端 C、B、A的数值，就可选通8个通道S0~S7中的一路。 比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、B、 A=001时，通道S通；……当C、B、A = 111时，通 道S7选通。其真值表如表3-1所示。
智能仪器第7章 数据采集系统
20nA
20nA 20nA
40ns
40ns\ 40ns
40us
40us 40us
双向三路 单选一
双向单十 六选一 双向双八 选一
±7.5V
±7.5V ±7.5V
≤30mA
≤30mA ≤30mA
7.4 数据采集系统设计
1 系统设计考虑的因素 数据采集系统设计要根据测试对象及系统的技术指标，主要考虑下列因素。 1.1 输入信号的特征 在输入信号的特性方面主要考虑：信号的数量，信号的特点，是模拟量还是数字 量，信号的强弱及动态范围，信号的输入方式，信号的频带宽度，信号是周期信号还 是瞬态信号，信号中的噪声及其共模电压大小，信号源的阻抗等等。 1.2 对数据采集系统性能的要求 1.2.1 系统的通过速率 系统的通过速率通常又称为系统速度、传输速率、采样速率或吞吐率，是指单位 时间内系统对模拟信号的采集次数。 1.2.2 系统的分辨力 系统的分辨力是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。 1.2.3 系统的准确度 系统准确度是指当系统工作在额定通过速率下，系统采集的数值和实际值之间的 接近程度，它表明系统误差的总和。 1.3 接口特性 接口特性包括采样数据的输出形式，数据的编码格式，与什么数据总线相接等。
2 模拟电路的误差
2.1 模拟开关导通电阻RON的误差 模拟开关存在一定的导通电阻，信号经过模拟开关会产生压降。模拟开关 的负载一般是采样/保持器或放大器。显然，开关的导通电阻越大，信号在开 关上的压降越大，产生的误差也越大。 2.2 多路模拟开关泄漏电流IS引起的误差 如果信号源的内阻小，泄漏电流影响不大，有时可以忽略。如果信号源内 阻很大，而且信号源输出的信号电平较低，就需要考虑模拟开关的泄漏电流的 影响。一般希望泄漏电流越小越好。 2.3 采样保持器衰减率引起的误差 如果衰减率大，在A/D转换期间保持电压减小，影响测量准确度。一般选 择漏电流小的聚四氟乙烯等优质电容，可以使衰减率引起的误差忽略不计。 2.4 放大器的误差 数据采集系统往往需要是用放大器对信号进行放大并规一化。放大器是 系统的主要误差来源之一。其中有放大器的非线性误差、增益误差，零位误差 等。在计算系统误差时必须把它们考虑进去。
计算机控制系统第二章习题答案
第二章习题答案
2.6 在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换 器的孔径时间(即转换时间)而造成较大的转换误差，克服的方法是在 A/D转换器之前设置采样保持电路。采样保持器平时处于“采样”状态， 跟踪输入信号变化；进行A/D转换之前使其处于“保持”状态，则在 A/D转换期间一直保持转换开始时刻的模拟输入电压值；转换结束后， 又使其变为“采样”状态。2.6节中的“采样”指抽取连续信号在离散 时间瞬时值的序列过程。
δ(t-kT)函数的几何图示
第二章习题答案
2.11 δ函数表示为： (t − kT ) = 1。k为任意整数。那么理想采样开关可以 δ 描述为理想单位脉冲函数序列：
δ T (t ) =
k = −∞
∑ δ (t − kT )
+∞
2.12 采样定理: 如果连续信号f(t)具有有限频谱，其最高频率为 ω max , 则对f(t)进行周期采样且采样角频率 ωs ≥ 2ωmax 时，连续信号f(t)可以由采 * 样信号 f * (t ) 唯一确定，亦即 f (t ) 可以无失真地恢复f(t)。 从理论上讲，采样频率越高就越能如实反映被采样的连续信号的特 征信息。但是，从计算机控制系统角度来讲，选取过高的采样频率会使 系统对硬件的要求过高，造成成本攀升，并且还会使干扰对系统的影响 明显上升。因此，应该综合考虑计算机控制系统中采样周期的选择问题。
第二章习题答案
2.13 推导略。零阶保持器在奈奎斯特频率以外的增益不为零，在相位上 相当于引入T/2的时间延迟，因此其性能劣于理想低通滤波器，信号恢 复效果也稍差。 2.14 随着保持器的阶数增加，信号恢复的效果越好，但带来的问题是实 现复杂、相移增大，所以计算机控制系统中很少采用高阶保持器。高阶 保持器主要用于没有闭环控制要求的通讯信号处理等领域。
第5章 采样保持器
采样/保持器
15
5.3 采样/保持器的类型和主要性能参数
5.3.1 采样/保持器的类型
按结构分为两种类型：
1. 串联型采样/保持器
UK A1 K + A2 UO
Ui
+
CH
模拟地
串联型采样/保持器的结构
当K断开时，采样/保持器从跟踪状态变为保持状态，这 时CH没有充放电回路，在理想情况下，CH的电压将一直 保持在K断开瞬间Ui的最终值上。
5.3.1 采样/保持器的类型
2. 反馈型采样/保持器
优点：
采样/保持精度高：原因是只有eOS1影响精度。 跟踪速度快：因为是全反馈，直接把输出U0与 输入Ui比较，如果U0≠Ui，则其 差被A1放大，迅速对CH充电。
缺点：
结构复杂。
数据采集与处理技术
采样/保持器
21
5.3 采样/保持器的类型和主要性能参数
解决方法：采用一种器件，在A/D转换时保持住输 入信号电平，在A/D转换结束后跟踪输 入信号的变化。“模拟信号存储器”
采样/保持器：用于对模拟输入信号进行采样，然 后根据逻辑控制信号指令保持瞬态值，保证模数转 换期间以最小的衰减保持信号的一种器件。
数据采集与处理技术
采样/保持器
4
5.1 概述
微机系统的A/D通道
5.1 概述
5.2 采样/保持器的工作原理
5.3 类型和主要性能参数
5.4 采集速率与采样/保持器的关系
5.5 采样/保持器集成芯片
5.6 使用中应注意的问题
数据采集与处理技术
采样/保持器
3
5.1 概述
问题：模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到 转换结束输出数字量，需要一定的转换时 间，在转换时间内，模拟信号必须保持不 变，否则会造成转换误差。
【第五章】采样保持器
55//5.1 5.1 问题模拟信号进行AD转换时从启动转换到转换结束输出数字量需要一定的转换时间当输入信号频率较高时会造成很大的转换误差。
解决方法采用一种器件在AD转换时保持住输入信号电平在AD转换结束后跟踪输入信号的变化。
采样保持器用于对模拟输入信号进行采样然后根据逻辑控制信号指令保持瞬态值保证模数转换期间以最小的衰减保持信号的一种器件。
5.2 5.2 模拟信号UiK驱动信号ACH模拟地UO采样保持器的一般结构形式采样/保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路。
组成模拟开关K、电容CH和缓冲放大器A。
UC5.2 5.2 UiK驱动信号CH模拟地UOUCAt控制信号t模拟输入At采样输出跟踪t1A2t2A1t3保持A3t4A采样保持器工作原理跟踪保持跟踪在t1时刻前控制电路的驱动信号为高电平时模拟开关K闭合模拟输入信号Ui通过模拟开关加到电容CH 上使得CH端电压UC 跟随Ui 变化而变化。
工作原理如下在t1时刻驱动信号为低电平模拟开关K断开此时电容CH 上的电压UC保持模拟开关断开瞬间的Ui 值不变并等待AD转换器转换。
而在t2时刻保持结束新一个跟踪时刻到来此时驱动信号又为高电平模拟开关K 重新闭合CH端电压UC 又跟随Ui 变化而变t3时刻驱动信号为低电平时模拟开关K 断开......。
采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件。
5.2 5.2 它具有两个稳定的工作状态跟踪状态在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号并精确地跟踪模拟输入信号的变化一直到接到保持指令为止。
保持状态对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。
因此采样/保持器是在“保持”命令发出的瞬间进行采样而在“跟踪”命令发出时采样/保持器跟踪模拟输入量为下次采样做准备。
采样保持器主要起以下两种作用“稳定”快速变化的输入信号以减少转换误差。
用来储存模拟多路开关输出的模拟信号以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。
变电站综合自动化第二章
Page 26
（一）、电压形成电路
模拟量输入电压变换原理图
作用：将电压降低到AD转换芯片所需电压，并 实现一次设备与微机的隔离。
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对模拟量进行采样，就是将一个连续的时间信号f(t) 变成离散的时间信号f'(t)。
采样周期与采样频率： 采样时间间隔由采样控制脉冲 f(t) 来控制，相邻两 个采样时刻的时间间隔称为采样周期，用Ts表示。 采样频率fs=1/Ts
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（5） 输出逻辑电平：多数为TTL电平，即0～ ＋5V （6）工作温度范围： 民用品为：0～ ＋70℃
工业级为：－20 ～ ＋85℃
军用品为：－55～ ＋125℃ （7）电源灵敏度：指AD转换芯片的供电电源的电压发 生变化 时产生的转换误差，一般用电源变化1%时模拟 量变化的百分数来表示。
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作业二（全做）
逐次逼近式模拟量输入电路主要包括哪些组成部分？ 什么是“频率混叠”现象？画图说明
香农定理中的采样频率公式是什么？
画出采样保持电路LF398的原理图，说明其工作原理 画出多路转换开关AD7506的内部结构图，说明其引脚作 用 如果输入电压为380V，画出其用BCD码逐次逼近的过程 图
例：被采样信号是工频50Hz，若工频每个周期 采样12次，则采样频率fs=50*12=600Hz.
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(2) 采样定理。 采样是否成功，主要表现在采样信号能否真实的反映出原 始连续时间信号中所包含的重要信息，采样定理就是回答 这个问题。 采样频率过低，会引起频率混叠现象
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一、微处理器的基本工作原理
Page 4
Page 5
二、基于单片机的测控单元
第5章 采样保持器
A
UO
5.2 采样/保持器的工作原理
模 拟 输 入
采 样 输 出 控 制 信 号
t1时刻之前，开关闭 合，模拟信号对电容 进行充电，电容电压 随模拟信号电压变化， 跟踪期； t1时刻，开关断开， 电容电压为断开瞬间 的模拟信号电压，保 持期；
t1 t2 t3 t4
5.2 采样/保持器的工作原理
5.3.2 采样保持器的主要性能参数
捕捉时间tAC
是指当采样保持器从保持状态转到跟踪状态 时，采样保持器的输出从保持状态的值变到 当前的输入值所需的时间 捕捉时间不影响采样精度，但对采样频率的 提高有影响 产品手册上给出的捕捉时间通常是指采样保 持器在输出为－FSR，而保持结束时输入已 变至＋FSR情况下的捕捉时间
Δt不再是A/D的转换时间，而是采样保持器 的孔径时间 1 f max n 1LSB要求时 1/2LSB要求时
f max
2 t AP 1 n 1 2 t AP
5.4 系统采集速率与采样保持器的关系
例5.2 用采样保持器芯片AD582和A/D转 换器芯片ADC0804组成一个采集系统。 已知AD582的孔径时间tAP＝50ns， ADC0804的转换时间tCONV＝100 μs（时 钟频率为640kHz），计算系统可采集的 最高信号频率 Fmax＝12.44 kHz
U
max
1 U m f U m 2 在转换时间tCONV内, 输入模拟信号电压最大变化可能为 U i tCONV dU i dt tCONV f U m
max
Um/2 0 t ΔU Δt
A/D转换时间与系统采集速率的关系
若限定在转换时间之内，正弦信号电压 的变化最大不超过1LSB，在Um＝FSR条 件下，数据采集系统可采集的信号最高 频率为
采样保持器
反馈型采样/保持器的结构
采样保持器 李为民
35
跟踪状态
当 K1闭合， K2断开时，
两块运放A1和
A2共同组成一个跟随器， 采样保持器工作于跟踪状态。 采样保持器工作于跟踪状态
此时，保持电容CH的端电压UC为 UC UI+eos1-eos2
式中eos1和eos2分别为运放A1和 A2 的失调电压。
使得当采样/保持器再次转入跟踪状态时A1 能立即跟踪 UI。
采样保持器 李为民
39
保持状态
反馈型采样/保持器的跟踪速度也较快， 因为它是全反馈，直接把输出 UO与输入UI 比较， 如果UOUI ，则其差被A1放大，迅速对CH 充电。 充电
采样保持器 李为民
40
3.2采样/保持器的主要性能参数
采样保持器 李为民
13
两个稳定的工作状态
从以上讨论可知，采样保持器是一种用逻辑电平 控制其工作状态的器件， 它具有两个稳定的工作状态： (1) 跟踪状态。 跟踪状态
在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号， 并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持 并精确地跟踪模拟输入信号的变化 直到接到保持
3
第二节
采样/保持器的工作原理
采样保持器是一种具有信号输入、信号输 出以及由外部指令控制的模拟门电路。 它主要由模拟开关K、电容CH和缓冲放大器 A组成，它的一般结构形式如图所示。 采样/保持器的一般结构形式 保持器的 般结构形式
采样保持器 李为民
4
采样保持放大器
采样保持放大器 (SHA)
采样保持器 李为民 16
电容 CH
3采样过程与保持器特性
采样过程采样周期的选取与保持器特性1、理想脉冲采样首先介绍一种虚拟的采样器：理想脉冲采样器（也叫脉冲采样器）。
其输入输出关系如下图：该采样器的输入是连续信号（设为)t (x ），输出是一个理想脉冲序列（记作x *(t)），采样周期为T ，每个脉冲的强度等于连续信号在对应时刻的值。
比如，在时刻kT t =，脉冲等于 )kT t ()kT (x -δ。
这样，采样信号x *(t)可以表示为：x *(t)=∑∞=-δ0k )kT t ()kT (x （假设0t <时0)t (x =）—— (1)如果定义单位脉冲序列函数∑∞=-δ=δ0k T )kT t ()t (则采样输出就等于输入信号)t (x 与)t (T δ的乘积。
因此，脉冲采样器可以看作是一个调制器，如下图，其输入调制信号为)t (x ，载波信号是)t (T δ，输出为脉冲采样信号x *(t)。
注意，这里的脉冲采样器是为了数学描述的方便而虚构的，在现实世界中是不存在的。
对（1）式取 Laplace 变换：如果我们定义 z e Ts = 或者 z ln s 1=则有 ∑∞=-=*=0k k z ln s z )kT (x )s (X T 1 ——（2） 该式右边就是)t (x 的z 变换式，即)z (X )]t (x [Z z )kT (x )z ln (X )s (X 0k k T 1z ln s 1====∑∞=-*=*思考题：以上的理想脉冲采样过程是虚拟的，实际采样控制中的采样过程与此有何异同。
2、保持器的数学描述关于保持器，通常的说法是：在采样控制系统中，保持器是将离散的采样信号转换为连续信号的装置。
这样的解释是非常直观和粗略的。
目前我们关于保持器的认识应该是基于这样一个事实：我们将连续的信号离散化后，如果能够由这个离散信号再次完全地恢复原来的连续信号，那么离散化不会给系统带来任何问题。
在采样器后边添加保持器的目的就是恢复采样前的连续信号。
采样保持器
1 1 f n 1 0 . 78 Hz x 2 2 2 6 2 t 2 25 * 10 c
加采样／保持器后，这样就变成在△t=tAP内，即在 采样／保持器的孔径时间内讨论系统可采集模拟信 号的最高频率。考虑对正弦信号采样，则在n位A／ D转换器前加上采样／保持器后，系统可采集的信号 最高频率为 ：
1 1 f 388 . 562 Hz x n 2 12 2 9 2 t 2 50 * 10 AP
使用采样／保持器后，系统能对频率不高于388.562Hz 正弦 信号进行采样，使系统可采集的信号频率提高了许多倍，大大 改善了系统的采样速率。结论：孔径时间tAP一般远远小于A／ D转换器的转换时间tCONV，所以，加上采样／保持器后的系统 可采集的信号最高频率要大于未加采样／保持器的系统。
LF398
1脚：V+ ； 2脚：接1K电阻，调节漂移电压； 3脚：VIN 4脚：V- ， 5脚 ：VOUT ； 6脚：接保持电容CH； 7脚和8脚 是两个控制端， 控制开关的通断。7脚接参考电压， 8脚接控制信号。 LF398也是反馈型采样／保持器。
主要特性： 1）具有较低的捕捉时间。外接电容CH=100pF采集时间 是6μs，可满足8位A／D要求；若CH=1000pF，采集时间为 25μs，可满足12位A／D要求。 2）输入阻抗Ri＝30M欧，输出阻抗（保持状态） Ro=12Ω 3）供电电源±Vs在±9V～±18V范围内选择，输入信 号电压可达电源电压±Vs，可适用于12位模数转换电路。 4）模拟地与数字地相互隔离，从而具有较强的抗干扰 能力。 5）具有差动的逻辑控制输入端IN＋、IN-，当IN＋端相 对IN-端的电压在-6V～0．8V时，电路处于采样状态；IN+ 偏置为+2V～Vs时，处于保持状态。