采样保持器

当开关K 闭合时，采样／保持器为跟踪状态。由于A1 是高增益放大器，其输出电阻和开关 K 的导通电阻 RON 很 小，输入信号Ui通过Al对CH的充电速度很快，CH的电压将 跟踪U1的变化。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U1的最终值上。
在数据采集系统中，采样／保持器主要起以下两种作 用： (1)“ 稳定 ” 快速变化的输入信号，以利于模／数转换器 把模拟信号转换成数字信号，减小采样误差。 (2) 用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，这样可使 模拟多路开关继续切换下一个待转换的信号。
电容CH对采样／保持的精度有很大的影响，如果电容值 过大，则其时间常数大，当模拟信号频率高时，由于电容 充放电时间长，将会影响电容对输入信号的跟踪特性，而 且在跟踪的瞬间，电容两端的电压会与输入信号电压有一 定的误差。而当处于保持状态时，如果电容的漏电流太大， 负载的内阻太小，都会引起保持信号电平的变化。 为使采样／保持器有足够的精度，一般在其输入端和输 出端均采用缓冲器，以减少信号源的输出阻抗，增加负载 的输入阻抗。在选择电容时，容量大小要适宜，以保证其 时间常数适中，并选用泄漏小的电容。
在数据采集系统中，直接用 A／D 转换器对模拟信号进 行转换时，应该考虑到任何一种 A／D 转换器都需要一定 转换时间来完成量化和编码等过程。 A／D 转换器的转换 时间取决于转换的位数、转换的方法、采用的器件等因素。 如果在转换时间 tCONV 内，输入的模拟信号仍在变化，此 时进行量化显然会产生一定的误差。
时间tST
在 tAP 后的输出还有一段波动，经过一定时间tST 才保持稳定。为了量化的准确，最好在发出保持 指令后延迟一段时间，等采样／保持器的输出稳 定后再启动A／D转换。
• 2．孔径不定∆Tap
孔径不定∆tAP是指孔径时间的变化范围。 孔径时间只是使采样时刻延迟，如果每次采样 的延迟时间都相同，则对总的采样结果的精确性 不会有影响。但若孔径时间在变化，则对精度就 会有影响。如果改变保持指令发出的时间，可将 孔径时间消除。因此，仅需考虑 ∆ tAP 对精度及采 样频率的影响。
•
• 在保持状态，影响输出电压精度的因素是保持状 •
态前瞬间A1运放的失调电压。所以，这种类型的 采样／保持器的精度要高于串联型。 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 UO≠Ui，则其差被A1放大，迅速对CH充电。
5.3.2 采样／保持器的主要性能 参数
3．捕捉时间tAC
捕捉时间是指当采样／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。它包括逻辑输入开 关的动作时间、保持电容的充电时间、放大器的设 定时间等.
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。
• • •
串联型采样／保持器 优点:结构简单。 缺点:其失调电压为两个运放失调电压之 和，比较大，影响其精度。另外，它的 跟踪速度也较低。
2．反馈型采样／保持器
反馈型采样／保持器的结构如图所示。其输出电压Uo 反馈到输入端，使A1和A2共同组成一个跟随器。
开关K1和K2有互补的关系，即当K1闭合时，K2断开； K2闭合时，K1断开。当Kl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。 此时，保持电容CH的端电压UC为 Uc≈U1+eos1-eos1 式中 eosl和eos2分别为运放A1，A2的失调电压。 当K1断开，K2闭合时，采样／保持器工作于保持状态 。此时，保持电容CH的端电压Uc保持在Kl断开瞬间U1的值 上，使UO也保持在这个值上，即 UO≈U1+eos2≈U1+eos1 (5—2)
5.2
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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／保持器的工作原理:
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K加到电容CH 上，使得电容 CH 端电压 Uc 跟随模拟输入信号 U1 变化而变 化，这个时期称为跟踪(或叫采样)期。 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 U1 值不变并 等待A／D转换器转换，这个时期称为保持期。 在t2时刻，保持结束，新一个跟踪(采样)时刻到来，此 时驱动信号又为高电平，模拟开关K重新闭合，电容CH端 电压Uc又跟随模拟输入信号UI变化而变化，直到t3时刻驱 动信号为低电平时，模拟开关K断开.
一个n位的A／D转换器能表示的最大数字是2N，设它 的满量程电压为FSR，则它的“量化单位”或最小有效位LSB 所代表的电压UI=FSR／2n。如果在转换时间tCONV 内，正弦 信 号 电 压 的 最 大 变 化 不 超 过 1 LSB所代表的电压，则在 Um=FSR条件下，数据采集系统可采集的最高信号频率为 fmax=1/(2nπtCONV)
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、 转换，并采集下一个点。因此，系统可处理的最高输入信 号频率应为 fmax=1/(2(tAC +tCONV+tAP)) 式中tAC——采样／保持器的捕捉时间； tAP——采样／保持器的最大孔径时间(包括抖动时间)； tCONV —— A／D转换器的转换时间。
• 若允许正弦信号变化为LSB／2，则系统可
采集的最高信号频率为 • fmax=1/(2n+1πtCONV)
•
结
论
• 系统可采集的信号频率受A／D转换器的位
数和转换时间的限制。
[例] 已知A／D转换器的型号为ADC0804，其转换时间 tCONV=100µs( 时钟频率为 640kHz)，位数n=8，允许信号变 化为LSB／2，计算系统可采集的最高信号频率。 解：由式(5—5)知 fmax=1/(2n+1πtCONV)=1/(28+1*3.14*100*10-6)=6.22(HZ) 结论：无采样／保持器的系统只能对频率低于6.22Hz 的信号进行采样。
第五章 采样／保持器
• 5.1 概述
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。在这个转换时间内，模 拟信号要基本保持不变。否则转换精度没有保证，特别当 输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这 种误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平 保持住，而在 A／D 转换结束后又能跟踪输入信号的变化。 能完成这种功能的器件叫采样／保持器。采样／保持器在 保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。
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
5.4 系统采集速度与采样／保 持器的关系
在数据采集系统中，采样／保持器用来对输入A ／D转换器的模拟信号进行采集和保持，以确保A／ D转换的精度。要保证A／D转换的精度，就必须确 保A／D转换过程中输入的模拟信号的变化量不得大 于LSB/2。 在数据采集系统中，如果模拟信号不经过采样／ 保持器而直接输入A／D转换器，那么，系统允许该 模拟信号的变化率就得降低。
• 1. 孔径时间tAP
孔径时间tAP是指保持指令给出瞬间到模拟开关 有效切断所经历的时间。 在采样／保持器中，由于模拟开关从闭合到完 全断开需要一定时间，当接到保持指令时，采样 ／保持器的输出并不保持在指令发出瞬时的输入 值上，而会跟着输入变化一段时间。
由于孔径时间的存在，采样／保持器实际保 持的输出值与希望的输出值之间存在一定误差， 该误差称为孔径误差。如果保持指令与A／D转换 命令同时发出，则因有孔径时间的存在，所转换 的值将不是保持值，而是在tAP时间内一个变化着 的信号，这将影响转换精度。
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。仍考虑对正弦信 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 fmax=1/(2n+1πtAP)
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。
4．保持电压的下降
当采样／保持器处在保持状态时，由于保持电容器CH 的漏电流使保持电压值下降，下降值随保持时间增大而增 加，所以，往往用保持电压的下降率来表示，即为 ∆U/ ∆T(V/s)=I(pA)/CH(pF) (5-3) 式中的I为保持电容CH的漏电流。
Cuo shi
• 选用优质电容CH。 • 增加CH的值可使保持电压的变化率不大，
[ 例 ] 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=l00μs( 时钟频率为 640kHz)，计算系统可采集的最高信号频率。 解：由式(5—6)知 fmax=1/(2n+1πtAP)=1/(28+1*3.14*50*10-9)=12440.3(HZ) 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。
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。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。 (2)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。 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。
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
采样／保持器可用通用的元件来组合，也可 以使用集成式芯片，目前多数是使用集成采样／保 持器芯片
。
采样／保持器按结构可分为串联型和反馈型
。
1．串联型采样／保持器
串联型采样／保持器的结构原理。图中A1和A2分别是 输人和输出缓冲放大器，用以提高采样／保持器的输入阻 抗，减小输出阻抗以便与信号源和负载连接。K是模拟开 关，它由控制信号电压UK控制其断开或闭合。CH是保持 电容器。
保持电容器的介质吸收
对一个电容器充电到一定电压Ue，然后对它短路放电一 定时间后再开路，电容器上的电压将从零往Ue方向缓变。 电容器表现出来的“电压记忆”特性称为电容器的介质吸收。 此特性将对保持电压产生误差.
电容器介质吸收造成误差的例子
• 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。
但将使CH跟踪UI的速度下降。
5．馈送
在采样／保持器处于保持状态时，保持电容器CH上 的电压应与输入电压变化无关。但实际上由于断开的模拟 开关K存在着寄生电容Cs。
输入电压 Ui 的交流分量将通过 Cs 加到 CH 上， 使得输入电压Ui的变化也将引起输出电压UO 的微小变化，这就是馈送。增大保持电容 CH 有利于减小馈送，但却不利于采样频率 的提高。
•
6．电荷转移偏差
在保持状态时，电荷通过寄生电容转移到保持电容器 上引起的偏差电压，可通过加大保持电容器容量来克服。 不过当增大保持电容时，也增大了采样／保持器的响应时 间。
7．跟踪到保持的偏差
跟踪到保持的偏差是指跟踪最终值与建立保持时的保 持值之间的偏差电压，这种偏差是电荷转换误差补偿以后 剩余的误差。该误差与输入信号有关，是一个不可预估的 误差。