采样／保持器.ppt

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
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最基本的采样／保持器
max
Vm cost
t0
Vm
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孔径时间 tAP（Aperture time）
在数据采集系统中，要求最大孔径误差
不超过A／D转换器输出数字量的最低有
效位（LSB）所代表电压值的一半，即
ΔVomax≤1/2VLSB。第六章将说明对一个 具有n位二进制输出的A/D转换器,
1VLSB= 1/ 2nVFS 。
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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
式中ID是保持阶段流过保持电容CH的总 泄漏电流
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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。
第五章 采样／保持器 （S／H电路）
5.1概述
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概述
• 采样／保持器是指在输入逻辑电平控制 下处于“采样”或“保持”两种工作状 态的电路。
• 在“采样”状态下电路的输出跟踪输入 模拟信号。
• 转为“保持”状态后，电路的输出保持 着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟 信号，直至进入下一次采样状态为止。
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2.孔径时间 tAP（Aperture time）
tAC
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Vi
孔径误差
VO
tAP
保持
采样
保持
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2.孔径时间 tAP（Aperture time）
由于模拟开关有一定的动作滞后， 从发出保持指令开始到模拟开关完 全断开，电路进入保持状态，输出 停止跟踪输入所经历的这段时间称 孔径时间tAP。
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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C质和H大量介的的质C增H吸保大值附持导可效电致减应容捕小引，捉保起使时持的C间电H电的压本荷加的身变长变的化。化介减率质选小，漏用。但电高
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
电目流的，ID，从以而达提到高减输小出保信持号电的压质变量化。率的
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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这里VFS是A/D转换器额定的满度输入 电压。取VFS=Vm，则孔径误差的相对值 应满足下式：
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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）
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微机系统的A/D、D/A通道
• 模拟通道的结构形式
1）A/D通道的结构形式
① 单通道
不带S/H——直流或低频模拟信号
带S/H——高频变化的模拟信号
② 多通道
每个通道有自己的S/H和ADC——并行多通道
各通道有自己的S/H,共享ADC
2020/5各/13 通道共享S/H和ADC
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由于孔径时间的存在，采样时间被 额外地延迟了。
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孔径时间 tAP（Aperture time）
最大孔径误差等于tAP时间内输入信号的 最大时间变化率与tAP的乘积，即：
Vo max
dVi dt
max
• tAP
若输入信号为Vi =Vmsinωt，其最大变化 率为：
dVi dt
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捕捉时间tAC（Acquisition time）
产品数据表格上给出的tAC，都是相对于 某一保持电容和逼近误差而言，同时还 假定电路的初始输出为零，输入信号是 一定大小（通常为 10V或20V的阶跃电 压）。
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捕捉时间tAC（Acquisition time）
tAC
Vi
VO
开关导通 延时时间
保持
采样
保持
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捕捉时间tAC（Acquisition time）
显然采样时间必须大于捕捉时间，才能 保持在采样阶段充分地采集到所需的输 入模拟信号。 捕捉时间主要由电路充电时间常数和所 要求的逼近精度所决定，还与开关的导 通时间、缓冲放大器的压摆率和稳定时 间有关。
采样／保持器如果具有恒定的孔径时间， 可采取措施消除其影响，如把保持指令 提前tAP时间发出，则电路的实际输出值 就是预定时刻输入信号的瞬时值。
孔径抖动：指多次采样中孔径时间的最 大变化量，其值等于最大孔径时间与最 小孔径时间之差。孔径抖动的典型数值 约比孔径时间小一个数量级左右。
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Vi VO
tAC
孔径误差
tAP
保持
采样
保持
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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。
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工作原理
当Vc为采样电平时，开关S导通， 模拟信号Vi通过S向CH充电，输出 电压Vo，跟踪输入模拟信号的变化。 当VC为保持电平时，开关S断开， 输出电压Vo保持在模拟开关断开瞬 间的输入信号值。
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采样／保持器的主要性能参数
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1.捕捉时间tAC（Acquisition time）