采样保持器
2.3采样保持器
•
•
•
•
•
•
•
•
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
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.ppt
2020/5/13
15
孔径时间 tAP（Aperture time）
Vo max Vm
tAP
2
ftAP
1 2n1
由此可得
f
1
2n2 tAP
2020/5/13
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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。
2020/5/13
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
2020/5/13
共享S/H和A/D的多通道
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。
信号采样及零阶保持器
8－2 信号的采样和复现的数学描述一、 采样过程所谓理想采样，就是把一个连续信号)(t e ，按一定的时间间隔逐点地取其瞬时值，从而得到一串脉冲序列信号)(t e *。
可见在采样瞬时，)(t e *的脉冲强度等于相应瞬时)(t e 的幅值，即)0(T e ,)1(T e ,)2(T e ,…)(nT e ，…如图8－8所示。
因此，理想采样过程可以看成是一个幅值调制过程，如图8－9所示。
采样器好比是一个幅值调制器，理想脉冲序列)(t T δ作为幅值调制器的载波信号，)(t T δ的数学表达式为∑∞∞==-n nT)-(t )(δδt T(8－1)其中=n 0,±1,±2,…)(t e 调幅后得到的信号，即采样信号)(t e *为∑∞-∞=*-==n T nT t t e t t e t e )()()()()(δδ(8－2)通常在控制系统中，假设当0<t 时，信号0)(=t e ，因此+-+-+=*)2()2()()()()0()(T t T e T t T e t e t e δδδ+-+)()(nT t nT e δ(8－3)或∑∞=*-=0)()()(n nT t nT e t e δ(8－4)式(8－4)为一无穷项和式，每一项中的)(nT t -δ表示脉冲出现的时刻；而)(nT e 代表这一时刻的脉冲强度。
式(8－2)或(8－4)表示了采样前的连续信号与采样后的离散信号之间的关系。
然而，一个值得提出的问题是：采样后的断续信号能否全面而真实地代表原来的连续信号呢?或者说它是否包含了原连续信号的全部信息呢?因为从采样(离散化)过程来看，“采样”是有可能会损失信息的。
下面我们将从频率域着手研究这个问题。
二、 采样信号的频谱假设连续信号)(t e 的富氏变换式为)(ωj E ，采样后信号*()e t 的富氏变换式用*()E j ω表示，下面我们来看)(ωj E *的具体表达式。
5_1 采样／保持器
3. 保持电压变化率
在保持阶段，开关S断开，保持电容CH 上所充的电荷通过模拟开关的断开电阻 Roff1、保持电容泄漏电阻Roff2和负载电 阻RL（即输出运放的输入电阻）逐渐泄 放： dVo t Vo ts ID
dt
RH CH
CH
18
式中ID是保持阶段流过保持电容CH的总 泄漏电流
2019/1/15 19
Viபைடு நூலகம்VO
tAC
孔径误差
tAP
保持
2019/1/15
采样
保持
20
4. 馈送（Feed through）
在保持阶段，虽然模拟开关处于断开状态， 由于开关源、漏极间的极间电容和其他途径 的耦合作用，使输入信号的变化耦合到输出 端称馈送； 这时采样／保持电路的输出电压（捕捉到的 输入电压的瞬时值）上叠加了馈送所产生的 误差电压，相当于纹波干扰。输入信号变化 快的区域，馈送影响也大。 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。
采样：开关S1导通，S2断开，运放A1、A2构 成跟随器。Vi很快对CH充电，使VCH=Vi，且 VCH在A2的输出端输出。从而实现输出跟踪输 入的变化。
2019/1/15 30
反馈型采样／保持器
保持：开关S1断开，S2导通，保持电容CH两端 的电压VCH保持在开关S1断开瞬时的Vi值，输出 电压Vo即保持在开关S1断开瞬时的Vi值。
2019/1/15
保持电压变化率
保持电压的变化率常用的单位有μV／μs、 mV／μs和 mV／s等。 增大CH值可减小保持电压的变化率，但 CH的增大导致捕捉时间的加长。选用高 质量的保持电容，使CH本身的介质漏电 和介质吸附效应引起的电荷变化减小。 选用漏电流小的模拟开关，以及采用高 输入阻抗的输出运放，可减小总的泄漏 电流ID，以达到减小保持电压变化率的 目的，从而提高输出信号的质量。
第5章采样保持器ppt课件
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。
数据采集与处理
5
SDUT
5.2 采样／保持器的工作原理
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。
(5 3)
式中 I —— 保持电容CH的漏电流。
数据采集与处理
18
SDUT 5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
为了使保持状态的保持电压的变化率不超 过允许范围，须选用优质电容。
增加的值可使保持电压的变化率不大，但 将使跟踪的速度下降。
馈送
馈送— 指输入电压Ui的交流分量通过开 关K的寄生电容CS加到CH上，使 得Ui的变化引起输出电压UO的微 小变化。
数据采集与处理
19
SDUT 5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
CS
-
Ui
K
+ A2
UO
CH
图5.6 馈送的通路
交流分量引起的误差。
保持电容器CH↑，馈送↓，
但不利于采样频率的提高。
数据采集与处理
20
SDUT 5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
跟踪到保持的偏差
跟踪到保持的偏差—
跟踪最终值与建 立保持状态时的 保持值之间的偏 差电压。
为了量化的 准确，应在发出 保持指令后延迟 一段时间，再启 动A／D转换。
数据采集与处理
14
SDUT 5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
由于孔径时间的存在，而产生
孔径误差— 采样／保持器实际保持的 输出值与希望输出值之差。
计算机控制系统—采样保持器
—计算机控制系统—
例如，一个12位的A/D转换器，孔径时间100μs，基
准电源为10.24V，量化误差为LSB/2所代表的电压信号，
即
1 10.24
U
ห้องสมุดไป่ตู้
1.25(mV)
2 212
则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为：
f max
U
U m 2t A/ D
1.25 103
5 2 100106
—计算机控制系统—
计算机控制生产现场的控制通道也有两个，即 模拟量输出通道及数字量输出通道。
计算机输出的控制信号是以数字形式给出的。 有的执行元件如连续调节阀要求提供模拟的电流或 电压，故应采用模拟量输出通道来实现；有的执行 元件如电磁开关只要求提供数字量（或开关量）， 故应采用数字量输出通道。
—计算机控制系统—
—计算机控制系统—
• 2.多路模拟量输入通道的结构 (1)多通道并联输入 多通道并联输入由若干个单路模拟 量输入通道组成。
• (2)多通道共用A/D转换器件形成 • 多路开关的作用是能按要求切换模拟量输入信号，确
保其中的某一路引入A/D转换器。
—计算机控制系统—
模拟量输入通道一般由信号处理器、多路转换器(多路 开关)、放大器、采样—保持器(S/H)和A／D转换器组成。
过程报警信号、操作人员请求信号等
对执行器进行控制，显示、记录等
对执行器进行控制，灯显示、报警显示等
5.1 模拟量输入通道
—计算机控制系统—
模拟量输入通道的任务是，把从控制对象检测 得到的模拟信号，变换成二进制数字信号，经接口 送入计算机。
2020/2/2
7
—计算机控制系统—
信号采样与保持
6.2 信号采样与保持采样器与保持器是离散系统的两个基本环节，为了定量研究离散系统，必须用数学方法对信号的采样过程和保持过程加以描述。
6.2.1 信号采样1. 采样信号的数学表示一个理想采样器可以看成是一个载波为理想单位脉冲序列)(t T δ的幅值调制器，即理想采样器的输出信号)(*t e ，是连续输入信号)(t e 调制在载波)(t T δ上的结果，如图6-6所示。
图6-6 信号的采样用数学表达式描述上述调制过程，则有)()()(*t t e t e T δ= （6-1）理想单位脉冲序列)(t T δ可以表示为∑∞=-=0)()(n T nT t t δδ (6-2)其中)(nT t -δ是出现在时刻nT t =，强度为1的单位脉冲，故式(6-1)可以写为∑∞=-=0*)()()(n nT t t e t e δ 由于)(t e 的数值仅在采样瞬时才有意义，同时，假设00)(<∀=t t e所以)(*t e 又可表示为*0()()()n e t e nT t nT δ∞==-∑ （6-3） 2. 采样信号的拉氏变换 对采样信号)(*t e 进行拉氏变换，可得 )]([)(])()([)]([)(00**nT t L nT e nT t nT e L t e L s E n n -=-==∑∑∞=∞=δδ (6-4) 根据拉氏变换的位移定理，有nTs st nTs e dt e t enT t L -∞--==-⎰0)()]([δδ 所以，采样信号的拉氏变换∑∞=-=0*)()(n nTs e nT e s E (6-5)3. 连续信号与采样信号频谱的关系 由于采样信号只包括连续信号采样点上的信息，所以采样信号的频谱与连续信号的频谱相比，要发生变化。
式(6-2)表明，理想单位脉冲序列)(t T δ是周期函数，可以展开为傅氏级数的形式，即∑+∞-∞==n t jn n T s e c t ωδ)((6-6) 式中，T s /2πω=，为采样角频率；n c 是傅氏系数，其值为/2/21()s T jn t n T T c t e dt T ωδ--=⎰ 由于在]2,2[T T -区间中，)(t T δ仅在0=t 时有值，且1|0==-t t jn s e ω，所以0011()n c t dt T Tδ+-==⎰ （6-7）将式(6-7)代入式(6-6)，得∑+∞-∞==n t jn T s e T t ωδ1)( （6-8）再把式(6-8)代入式(6-1)，有 ∑+∞-∞==nt jn se t e T t e ω)(1)(*（6-9）上式两边取拉氏变换，由拉氏变换的复数位移定理，得到∑+∞-∞=+=n s jn s E T s E )(1)(*ω (6-10)令ωj s =，得到采样信号)(*t e 的傅氏变换 ∑+∞-∞=+=n s n j E T j E )]([1)(*ωωω （6-11) 其中，)(ωj E 为非周期连续信号)(t e 的傅氏变换，即⎰+∞∞--=dt e t e j E j ωω)()( （6-12）它的频谱)(ωj E 是频域中的非周期连续信号，如图6-7所示，其中h ω为频谱)(ωj E 中的最大角频率。
采样保持
第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础
图1.3.5-2 二极管开关 电路
7
电 路 基 础
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 结束 回目录
§1.3.5 模拟开关电路
当控制电压u 当控制电压 c为某一正 值时，二极管D 值时，二极管 1、D2 导 截止， 通,D3 、D4 截止，相当 第 一 于开关接通； 于开关接通；模拟信号 章 端传送到B端 从A端传送到 端，或者 端传送到 反方向传送。但由于D 反方向传送。但由于 1 、 光 D2 导通时电阻不为零， 电 导通时电阻不为零， 信 信号通过时会产生电压 息 损失。 为负值时, 损失。当uc为负值时 技 D1 、D2 截止，D3 、D4 截止， 术 导通，相当于开关断开, 物 导通，相当于开关断开 模拟信号不能通过开关。 模拟信号不能通过开关。 理 但 D1 、D2 截止时电 基 础 阻不是无穷大， 阻不是无穷大，因而会 产生信号电流泄漏。 产生信号电流泄漏。
电 路 基 础
第一章 上一页 回首页 下一页 回末页 结束 回目录 上一节
§1.3.4
采样保持器
采样保持器指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。 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， 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， 信号的值。采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保 第 一 持一段时间，以供模数转换器转换， 持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再 章 取出一个模拟信号值来代替原来的值。 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 光 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 间采样保持器一直保持着转换开始时的输入值， 电 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， 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， 信 提高模数转换器的精确度和消除转换时间的不准确性。 提高模数转换器的精确度和消除转换时间的不准确性。 息 技 1、采样保持电路的工作原理 图1.3.4-1为采样保持电路的原理图和工作波形图。 术 1.3.4- 为采样保持电路的原理图和工作波形图。 物 在图1.3.4- a中 在图1.3.4-1 a中，最简单的采样保持电路由接成同相跟随 理 器的运放、模拟开关场效应管VF以及保持电容 组成。 以及保持电容C 器的运放、模拟开关场效应管VF以及保持电容C组成。在电 基 压型控制元件场效应管的输入端加入采样信号u 压型控制元件场效应管的输入端加入采样信号u，其波形如 础 1.3.4所示。 图1.3.4-1 b 所示。
保持器
[整
理] 保持器 2007-05-16 17:37:58
保持器是将采样信号转换为连续信号,这个连续信号近似地重现作
用在采样器上的信号.最简单的保持器,是将采样信号转变成在两
个连续采样瞬时之间保持常量的信号,如图1所示.
图1 零阶保持器的输入和输出信号
这种保持器,叫做零阶保持器.
实现采样控制中另一个重要问题是如何将离散信号恢复到连续信
号,并作
用于被控对象,实现恢复的装置称为保持器.
保持器是一种时域外推装置,即由向过去和现在采样值外
推,通常将具有
幅值,线性及抛物线外推规律的保持器,分别称为零阶、一阶、二
阶保持器.
常用零阶保持器,;零阶保持器是一种按恒值规律外推的保持器,将前一 时刻采样值,保持到下一采样时刻. 在nT 邻域内,将e(t)写成泰勒级数。
采样保持器的原理
采样保持器的原理
采样保持器（Sample and Hold）也称为采样保持电路，是一种电子电路，用于将输入信号在一段时间内保持不变。
其主要原理是通过一个开关和一个电容器来实现。
工作原理如下：
1. 当开关打开时，输入信号通过开关进入电容器，电容器开始充电，此时输入信号的值被记录在电容器上；
2. 开关关闭后，电容器接触到输入信号的那一刻开始被隔离，电容器不再接受新的输入信号；
3. 电容器通过它的电压维持输出信号的稳定性，输出信号保持与记录时刻的输入信号相同；
4. 采样保持器在下一个采样周期之前，再次打开开关，将最新的输入信号记录到电容器上。
采样保持器的原理是利用电容器的特性，通过在一段时间内记录输入信号的值，然后将其保持不变以供后续使用。
通过控制开关的打开和关闭，可以实现周期性的采样和保持操作，从而达到稳定输出信号的目的。
采样保持器
2、采样保持器的功能
在A/D转换开始时将输入信号的电平 保持住，以保证在A/D转换期间，A/D转 换器的输入不变化。 而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号 的变化，以保证下次A/D转换时，输入 A/D转换器的是新的采样时刻的输入信号 电压。
3、采样保持器的两个工作状态
采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态 的器件，具有两个稳定的工作状态。 采样状态：在此期间它尽可能快的接收模拟输入 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信 号进行采样。
C
t
D
C
H
ID包括采样保持中的缓冲放大器的输入电流和模拟 开关截止时的漏电流，电容内部的漏电流。
不用采样保持器：由式(3)知
fx 1 2
n 2
tc
2
1
12 2
25 * 10
6
0 . 78 Hz
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 ：
tan
dV dt
x
V tan tc
V ( dV dt
X
) max t c
1 2
LSB
1 V FS 2 2
n
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。为 了解决这个问题，需要在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“模拟信号存储器”。
【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。
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
第七章 采样保持(放大)器
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7
采样/保持器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追踪上模拟输入信 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。
在DAS系统中，SH有以下2个主要作用:
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二、孔径不定△tAP
但是，由于各种原因（例如时钟的定时抖动、保持信号 的波形质量、器件的温飘等），孔径时间tAP往往不是一 个常数，tAP可以表示为：
tAP＝tAP0＋ΔtAP
其中：tAP0为常数；ΔtAP为一变量，称为孔径时间不定 性（Aperture Uncertainty），也称为孔径时间抖动或 孔径抖动（Jitter）。 tAP和ΔtAP都是SH器件的重要指标，但是对系统通过速 率产生影响的仅仅是ΔtAP。在第二章曾经分析了ΔtAP对 系统通过速率的影响，系统通过速率由下式确定： 1 fp < n 2 π × Δtap
优点：结构简单。 缺点：失调电压较大，为A1和A2两个运放的失调 电压之和。
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2、负反馈型 工作原理
跟踪周期：Kl闭合，K2断开。两块运放A1和A2共同组 成一个跟随器。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。 保持周期：K1断开，K2闭合。此时输出UO为： UO≈UC + eos2≈ Ui + eos1
3
信号的采 样和保持
持器具有外推作用，即保持器现时刻的输出信号取决于过去时刻采样信号值的外 推。实现外推常用的方法是采用多项式外推公式
f (kT t) a0 a1t a2t2 amtm
式中 t ——以kT为时间原点的时间坐标， t T ； a0 ，a1 ，a2 ， ，am ——系数，由过去各采样时刻的采样信号值 f (kT ) ，
进f (行t) 频谱分析，观察频谱混叠的影响。
1.2 采样过程
在数字控制系统中，数字计算机输出的是数字序列的采样信号，需要经过数－ 模转换器（D/A），将它变成连续的控制信号以驱动控制装置。这种将采样信号变 为连续信号的过程称为复现或保持，用于复现信号的装置则称为保持器。
为了从采样信号复现出连续信号，需要解决两个问题：第一，理论上能否从采 样信号恢复到原连续信号？或者说，是否包含了 的全部信息？第二，实际应采用什 么样的保持器？
f (k 1)T ，f (k 2)T ， 确定。
工程上一般按外推公式的第一项或前两项组成外推装置。只按第一项组成的
外推装置，因其所用外推多项式是零阶的，故称为零阶保持器；同理，按前两项 组成的外推装置称为一阶保持器。其中应用最广泛的是零阶保持器，其外推公式
为
f [(kT t)] a0
由于T 0 时上式也成立，所以 a0 f (kT ) ，从而得到
连续信号经采样后变成脉冲序列信号，其频谱中除原信号的频谱外， 还有无限多个在采样过程中产生的高频频谱。因此，为了从采样信号复现 出原连续信号，而又不使上述高频分量进入系统，应在采样开关后面串联 一个滤波器，它的功能是滤去高频分量，而无损失地保留原信号频谱。能 使采样信号不失真地复现为原连续信号的滤波器应具有理想的矩形频率特 性，如图：
3.4 采样保持电路解析
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
1. 采样／保持器的类型
按结构分为两种类型：
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
A1和A2分别是输入和输出缓冲放大器，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。
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.3 采样／保持器的类型和主要性能参 数
1. 采样／保持器的类型
按结构分为两种类型：
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，影响到采样 ／保持器的精度。 跟踪速度也较低。
第三章 数据采集技术
采样保持电路
电容CH对精度的影响：
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 在选择电容时，容量大小要适宜，以保证其时间常 输入信号的跟踪特性，而且在跟踪的瞬间，电容两 数适中，并选用泄露小的电容。 端的电压会与输入信号电压有一定的误差。 另外，一般在输入端和输出端均采用缓冲器，以减 如果电容值过小，在保持状态时，由于电容漏电流 少信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗。 的存在或者负载内阻太小的影响，会引起保持信号 电平的变化。
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
1. 采样／保持器的类型
按结构分为两种类型：
串联型采样/保持器
UK A1 K + A2 UO
Ui
+
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
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本讲要点
1．模拟量输入通道的结构组成。 2．多路开关，前置放大、采样保持等各环节 的功能作用。
本讲主要内容
1 2 3 4
引言 信号调理电路 多路模拟开关 前置放大器 采样保持器 本讲小结 思 考 题
引言
模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温 度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机 可以接收的数字量信号。
图3-4 多路模拟开关的扩展电路
图2-4 多路模拟开关的扩展电路
链接动画
前置放大器
主要知识点
引言 测量放大器 可变增益放大器
引言
前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D 转换的量程范围之内，如0-5VDC; 对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端 同相放大或单端反相放大。如图3-5所示，信号源的一 端若接放大器的正端为同相放大，同相放大电路的放大 倍数G =1+R2/R1； 若信号源的一端接放大器的负端为反相放大，反相 放大电路的放大倍数G =－R2/R1。当然，这两种电路都 是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个 输入端共地。
2
多路模拟开关
引言 1 结构原理 2 扩展电路
主要知识点
引言
由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此
一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一 时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开 关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。 目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具 有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(双向、单端、 8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16 路)等。所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换， 也可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。 双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信 号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。
Sm A 译 码 驱 动 电 平 转 换 B C INH
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
图3-3 结构原理图 图2CD4051 -3 CD4051结构原理图 链接动画
扩展电路
当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，
也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。
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
R4 V G 1 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。
前 置 放 大 器
采 样 保 持 器
A/D 转 换 器
接 口 逻 辑 电 路
PC 总 线
图 3-1 模拟量输入通道的结构组成
显然，该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器，通常 把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道。
1 信号调理电路
在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种 类型的测量变送器，当它们的输出信号为0 - 10 mA或4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压 法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下 是两种变换电路。
D2、D1、D0从000变1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
译 码 驱 动
电 平 转 换
A B C INH
Sm
S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15
译 码 驱 动
电 平 转 换
A B C INH
D3 D2 D1 D0
1. 无源I/V变换
2. 有源I/V变换
无源I/V变换
无源I/V变换电路是利用无源器件—电阻 来实现，加上RC滤波和二极管限幅等保护，如 图3-2（a）所示，其中R2为精密电阻。对于0-
10 mA输入信号，可取R1=100Ω，R2=500Ω，这
样当输入电流在0 -10 mA量程变化时，输出的
电压就为0 -5 V范围；而对于4 -20 mA输入信
例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关。 例题分析：图3-4给出了两个CD4051扩展为1×16路模拟开关的 电路。数据总线D3~D0作为通道选择信号，D3 用来控制两个 多路开关的禁止端。当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当 经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、 D0从000变为111，则依次选通S8~S15通道。如此，组成一个16 路的模拟开关。
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。
结构组成如图3-1所示，来自于工业现场传感器或变送
器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路 模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/ 数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而 完成对过程参数的巡回检测任务。
过 程 参 数
传 感 变 送 器
信 号 调 理
多 路 模 拟 开 关
R2 VI
VO Us ～
R1 R2
VI
R1
号，可取R1=100Ω，R2=250Ω，这样当输入电 流为4 -20 mA时，输出的电压为1 - 5 V。
D R1 I C R2
+5V I + V R1 + C
R2 + R3 A R4 (b) 有源I/V变换电路 R5 V
(a) 无源I/V变换电路
图 2-2 电流/电压变换电路
图 3-2 电流/电压变换电路