第5章 采样保持器分析

5.4 系统采集速率与采样保持器的关系
系统采集速率与A/D转换器的转换时间和 位数之间有什么关系？
采样保持器在系统采集与A/D转换之间有 什么样的作用？
如何通过A/D的技术指标和（或）采样保 持器的性能指标来估算系统采集的最高 速率？
A/D转换时间与系统采集速率的关系
dU i dt
max
1 2
保持电压的下降
当采样保持器处在保持状态时，由于电容 的漏电流使保持电压值下降，下降的值随保 持时间的增大而增加，通常用保持电压的下 降率来表示
U (V / s) I ( pA)
T
CH ( pF )
5.3.2 采样保持器的主要性能参数
馈送
在采样保持器处在保持状态时，保持电容上 的电压应与输入电压变化无关。但实际上由 于模拟开关存在寄生电容的缘故，输入电压 的交流分量将通过寄生电容而引起输出电压 的微小变化
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
5.3.2 采样保持器的主要性能参数
U
m
cos
t
在过零处
U
1 2
U
m
Hale Waihona Puke Baidu
f
Um
在转换时间tCONV内,
0
输入模拟信号电压最大变化可能为
U i
tCONV
dUi dt
max
tCONV
f
Um
Um/2 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
CS
UC
模拟输入信号Ui
A
UO
K
CH
模拟地
5.3.2 采样保持器的主要性能参数
跟踪到保持的偏差
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后剩余的误差， 与输入信号有关，是不可预估的误差
电荷转移偏差
这种偏差是在保持状态时，电荷通过寄生电 容转移到保持电容器上引起的，可通过加大 保持电容容量来克服
孔径不定ΔtAP
指孔径时间的变化范围 孔径时间体现的是采样时刻的延迟，而孔径
不定是对这个延迟的变化的描述 孔径时间从理论上说可以用改变采样时刻的
方式消除，而孔径不定则会对采样的精度及 频率产生影响 孔径时间是对具体的一次采样个体的描述， 而孔径不定则是对孔径时间的一个总体上的 描述
5.3.2 采样保持器的主要性能参数
频率为
f max
1
2n tCONV
若限定为1/2LSB，则最高频率为
1
f max
2
n
t 1 CONV
5.4 系统采集速率与采样保持器的关系
例5.1 已知A/D转换器的型号为AD0804，其转 换时间tCONV＝100μs(时钟频率为640kHz)，位 数n＝8，允许信号变化为1/2 LSB，计算系统可 采集的最高信号频率
UK
－
－
Ui
＋ A1
＋ A2
K CH
UO
优点：结构简单
缺点：失调电压为两个运放失调电压之和， 影响采集精度，跟踪速度较低
5.3.1 采样/保持器的类型
反馈型采样保持器
R
－
Ui
－
＋ ＋A1
K2 K1
－eOS2＋
－
＋A2
CH
UO
eOS1
UK
采样精度高于串联型 跟踪速度较快
5.3.2 采样保持器的主要性能参数
解决办法：
提高A/D转换器的转换速度，减小转换时间 通过某种器件将某时刻的模拟信号保持住，
然后再由A/D转换器进行转换
5.2 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， 主要由模拟开关、电容和缓冲放大器组 成，一般结构形式如图所示
K
UC
模拟输入信号Ui
数据采集与处理技术
第5章 采样/保持器
主要内容
采样/保持器的工作原理 采样保持器的类型和主要性能参数 系统采集速率与采样/保持器的关系 采样保持器使用中应注意的问题
5.1 概述
模拟信号通过A/D转换器转换为数字信号 需要一定的转换时间
模拟信号在A/D转换器转换过程中要基本 保持不变，否则转换精度没有保证，尤 其在输入信号频率较高时，会造成很大 的转换误差
采样保持器是一种用逻辑电平控制其工 作状态的器件，它有两个稳定状态：
跟踪状态 保持状态
采样保持器的作用
“稳定”快速变化的输入信号，以利于减少 采样误差
储存模拟多路开关输出的模拟信号，有利于 提高多路信号采集速率
影响采样保持器精度的因素
电容的电容值
电容值过大，时间常数大，对高频信号的跟 踪能力差
漏电流
漏电流影响电压的保持
负载的阻抗
阻抗太小也会引起保持信号电平的变化
减小影响因素的措施
输入输出缓冲，减少信号源的输出阻抗， 增加负载的输入阻抗
选择适当的电容值，保证时间常数适中 选用泄漏小的电容
5.3.1 采样/保持器的类型
采样保持器按结构可以分为两种类型： 串联型和反馈型
串联型采样保持器的结构
本题属于用AD转换时间和位数估算可采集的 信号最高频率的类型
f max
1
2n1tCONV
281
1 3.14 100 106
6.22Hz
5.4 系统采集速率与采样保持器的关系
因为通常采样保持器的孔径时间远远小 于A/D转换器的转换时间，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
A
UO
驱动信号
CH 模拟地
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 t2 t3 t4
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；
5.2 采样/保持器的工作原理
孔径时间tAP
是指保持指令给出
U
瞬间到模拟开关有
效切断所经历的时
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
存在一定的误差，
该误差称为孔径误
差
0
模拟输入信号
保持
ΔtAP tST
t1 t2 tAC
tAP
跟踪
保持
孔 径
实际的输出
误
差
希望的输出
t
5.3.2 采样保持器的主要性能参数
Δt不再是A/D的转换时间，而是采样保持器
的孔径时间 1LSB要求时
f max
1
2n t AP
1/2LSB要求时
f max
1
2n1t AP