采样保持器
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但若孔径时间在变化，则对精度就会 有影响。
数据采集与处理
17
SDUT
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
捕捉时间tAC
捕捉时间— 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。
数据采集与处理
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。
这种功能的器件就是采样／保持器。
数据采集与处理
2
SDUT
第5章 采样／保持器
5.2 采样／保持器的工作原理
采样／保持器的一般结构形式如图5.1所示。
K
模拟信号 Ui
A
CH 模拟地
UO
驱动信号
图5.1 采样／保持器的一般结构形式 数据采集与处理
3
SDUT
5.2 采样／保持器的工作原理
模拟开关K 组成
电容CH 缓冲放大器A
数据采集与处理
4
SDUT
控 制 信 号 A 跟踪
5.2 采样／保持器的工作原理 工作原理如下：
保持
t
模 拟 输 入
t
A A1
在t1时刻前，控制电路的驱 而在t2时刻，保持结束， 动信号为高电平时，模拟开 新一个跟踪时刻到 来， 关K 闭合，模拟输入信号Ui 此时驱动信号又为高电 通过模拟开关加到电容CH 平，模拟开关K 重新闭 上，使得CH端电压UC 跟随 合， CH 端电压UC 又跟 Ui 变化而变化。 在t1时刻，驱动信号为低电 t3时刻，驱动信号为低 平，模拟开关K断开，此时 电容CH 上的电压UC 保持 电平时，模拟开关K断 模拟开关断开瞬间的Ui 值 开，......。 不变并等待A／D转换器转 换。
13
SDUT
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
2. 采样／保持器的主要性能参数 孔径时间tAP
孔径时间tAP —— 保持指令给出瞬间到模 拟开关有效切断所经历 的时间。
如图5.5所示。
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
孔径误差
模拟信号
U
实际输出
△tAP tST tAC 跟踪 保持
该误差与输入信号有关，是一个不可 预估的误差。
数据采集与处理
22
SDUT
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
电荷转移偏差
电荷转移偏差— 指在保持状态时，电荷 通过开关K 的寄生电容 转移到保持电容器上引 起的误差。
保持电容器CH↑，电荷转移偏差↓， 采样／保持器的响应时间↑。
此误差由直流分量引起。
31
SDUT
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
f max
1 1 n1 81 6.22(Hz) 6 2 t CONV 2 3.14 100 10
如果在A／D转换器的前面加一个采 样／保持器，这样就变成在△t = tAP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，则系统可采 集的信号最高频率为
U i t CONV
由此可得出
dU i dt
max
U i f t CONV Um
数据采集与处理
28
SDUT
5.4 Leabharlann Baidu统采集速率与采样／保持器的关系
如果在转换时间tCONV内，正弦信号电 压的最大变化不超过1LSB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
f max 1 2(t AC t CONV t AP )
数据采集与处理
(5 8)
35
SDUT
第5章 采样／保持器
5.5 采样／保持器集成芯片
常用的集成采样／保持器有多种，因 时间的关系，下面只介绍其中的两种。 1. AD582 AD582是通用型采样／保持器。 其管脚及结构示意如图5.9所示。
设模拟信号如图5.8所示。
数据采集与处理
25
SDUT
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
U Um 2 Um sinωt U i= 2
△U
t
△t
图5.8 正弦信号的最大变化率
对正弦信号采样，在△t内，模拟信号 电压的最大变化率发生在正弦信号过零时，
数据采集与处理
26
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5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
解：由式（5-7）知
f max 1 2 n1t AP 1 124403(Hz) 12.44(kHz ) . 81 9 2 3.14 50 10
数据采集与处理
34
SDUT
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
应该指出的是：根据采样定理，采集一个 有限带宽的模拟信号，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 系统处理的最高输入信号频率应为
5
随Ui 变化而变 化；
采 A 样 A2 3 输 出
t1
t2
t3
t4
t
图5.2 采样／保持器工作原理
数据采集与处理
SDUT
5.2 采样／保持器的工作原理
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
6
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：
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。 孔径不定△tAP 孔径不定△tAP — 孔径时间的变化范围。 孔径时间使采样时刻延迟。
数据采集与处理
16
SDUT
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
如果延迟时间不变，则对总的采样结 果的精确性不会有太大影响。
跟踪速度也较低。 反馈型
反馈型采样／保持器的结构如图5.4 所示。
数据采集与处理
11
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
R
-
K2
A1
Ui
-
+ eOS1
K1
+
UC CH
-
+
+
A2
U
O
eOS2
模拟地
UK
图5.4 反馈型采样／保持器的结构
当K1断开， K2e 的U当K1≈ U K2断开时，A1和A2共同组) i值上，使 U C 闭合， 闭合时，采样／保持器1 e 闭合，K2断开 (5 开关和有互补的关系： K1OS2 i OS1 成一个跟随器，采样／保持器工作于 工作于保持状态。 (5 式中 UOS1 和UOS2 分别为运放断开， 2K2闭合 2) e o ≈ e C eOS2 U1i A1eOS1 的失调电压。 K 和A 跟踪状态。
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。 K是模拟开关，由控制信号电压UK控制其 断开或闭合。CH是保持电容器。
数据采集与处理
10
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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。
数据采集与处理
30
SDUT
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ADC0804， 其转换时间tCONV=100s（时钟频率为 640kHz），位数n = 8，允许信号变化
1 为 LSB ，计算系统可采集的最高信 2
号频率。 解： 由式（5-5）知
数据采集与处理
则
dU i dt
1 U m cost max 2
在过零处
由于在正弦信号过零时，ωt = ±nπ， |cos(±nπ)| =1，所以
dU i dt 1 U m f U m max 2
数据采集与处理
27
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5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
而在A／D转换时间tCONV内，输入的 正弦信号电压最大变化率可能为
数据采集与处理
12
作用： 此时，保持电容CH的端电压为 1断开瞬间 此时， CH的端电压保持在K 其输出电压反馈到输入端，使和共同组成一个跟随器。
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
优点： ① 采样/保持精度高，原因是只有eOS1影 响精度。 ② 跟踪速度快 结构复杂。 缺点：
数据采集与处理
希望的输出 孔径不定
由图5.5可知， 在tAP后的输出还 有一段波动，经 过一定时间tST后 才保持稳定。 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。
捕捉时间
tAP
保持
保持指令发出时刻
t
图5.5 采样／保持全过程 数据采集与处理
15
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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(5 3)
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
32
SDUT
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
U 1LSB
1 U LSB 2
f max
1 n (Hz) 2 tAP
1 2
n 1
(5 6)
f max
t AP
(Hz)
(5 7)
结论： 因为tAP一般远远小于A／D转换器的 转换时间tCONV，所以，有采样／保 持器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。
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。
数据采集与处理
7
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5.2 采样／保持器的工作原理
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。
数据采集与处理
33
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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 =100s （时钟频率为640kHz），计算系统可 采集的最高信号频率。
数据采集与处理
20
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
CS
-
Ui
+
A2
UO
K 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
21
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。
数据采集与处理
23
SDUT
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
由以上讨论可以看出，采样／保持器 的性能在很大程度上取决于保持电容器的 质量。因此，应该选择优质电容器。
数据采集与处理
24
SDUT
第5章 采样／保持器
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
首先讨论不用采样／保持器，而直接 用A／D转换器对模拟信号进行转换的情况。
f max
1 n 2 t CONV
(Hz)
(5 4)
数据采集与处理
29
SDUT
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
1 如果允许正弦信号电压变化为 LSB ， 2
则系统可采集的最高信号频率为
f max
1 n 1 2 t CONV
(Hz)
(5 - 5)
由（5-4）、（5-5）式可看出，系统 可采集的最高信号频率受A／D转换器的 位数和转换时间的限制。
SDUT
第5章 采样／保持器
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 测量放大器的使用
5.5 测量放大器的使用
数据采集与处理
1
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第5章 采样／保持器
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，当输入信号频 率较高时，会造成很大的转换误差。
数据采集与处理
8
SDUT
第5章 采样／保持器
5.3 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 串联型采样／保持器的结构如图5.3 。
数据采集与处理
9
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
UK A1 K CH
模拟地
+
Ui
+
A2
UO
图5.3 串联型采样／保持器的结构
18
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
保持电压的下降
当采样／保持器处在保持状态时，由 于漏电流使保持电压值下降，下降值随保 持时间增大而增加，常用保持电压的下降 率来表示：
U I (pA) ( V / s) T C H (pF)
式中 I —— 保持电容CH的漏电流。
数据采集与处理
数据采集与处理
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
捕捉时间tAC
捕捉时间— 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。
数据采集与处理
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。
这种功能的器件就是采样／保持器。
数据采集与处理
2
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第5章 采样／保持器
5.2 采样／保持器的工作原理
采样／保持器的一般结构形式如图5.1所示。
K
模拟信号 Ui
A
CH 模拟地
UO
驱动信号
图5.1 采样／保持器的一般结构形式 数据采集与处理
3
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5.2 采样／保持器的工作原理
模拟开关K 组成
电容CH 缓冲放大器A
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控 制 信 号 A 跟踪
5.2 采样／保持器的工作原理 工作原理如下：
保持
t
模 拟 输 入
t
A A1
在t1时刻前，控制电路的驱 而在t2时刻，保持结束， 动信号为高电平时，模拟开 新一个跟踪时刻到 来， 关K 闭合，模拟输入信号Ui 此时驱动信号又为高电 通过模拟开关加到电容CH 平，模拟开关K 重新闭 上，使得CH端电压UC 跟随 合， CH 端电压UC 又跟 Ui 变化而变化。 在t1时刻，驱动信号为低电 t3时刻，驱动信号为低 平，模拟开关K断开，此时 电容CH 上的电压UC 保持 电平时，模拟开关K断 模拟开关断开瞬间的Ui 值 开，......。 不变并等待A／D转换器转 换。
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
2. 采样／保持器的主要性能参数 孔径时间tAP
孔径时间tAP —— 保持指令给出瞬间到模 拟开关有效切断所经历 的时间。
如图5.5所示。
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
孔径误差
模拟信号
U
实际输出
△tAP tST tAC 跟踪 保持
该误差与输入信号有关，是一个不可 预估的误差。
数据采集与处理
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
电荷转移偏差
电荷转移偏差— 指在保持状态时，电荷 通过开关K 的寄生电容 转移到保持电容器上引 起的误差。
保持电容器CH↑，电荷转移偏差↓， 采样／保持器的响应时间↑。
此误差由直流分量引起。
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5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
f max
1 1 n1 81 6.22(Hz) 6 2 t CONV 2 3.14 100 10
如果在A／D转换器的前面加一个采 样／保持器，这样就变成在△t = tAP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，则系统可采 集的信号最高频率为
U i t CONV
由此可得出
dU i dt
max
U i f t CONV Um
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5.4 Leabharlann Baidu统采集速率与采样／保持器的关系
如果在转换时间tCONV内，正弦信号电 压的最大变化不超过1LSB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
f max 1 2(t AC t CONV t AP )
数据采集与处理
(5 8)
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第5章 采样／保持器
5.5 采样／保持器集成芯片
常用的集成采样／保持器有多种，因 时间的关系，下面只介绍其中的两种。 1. AD582 AD582是通用型采样／保持器。 其管脚及结构示意如图5.9所示。
设模拟信号如图5.8所示。
数据采集与处理
25
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5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
U Um 2 Um sinωt U i= 2
△U
t
△t
图5.8 正弦信号的最大变化率
对正弦信号采样，在△t内，模拟信号 电压的最大变化率发生在正弦信号过零时，
数据采集与处理
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SDUT
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
解：由式（5-7）知
f max 1 2 n1t AP 1 124403(Hz) 12.44(kHz ) . 81 9 2 3.14 50 10
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5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
应该指出的是：根据采样定理，采集一个 有限带宽的模拟信号，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 系统处理的最高输入信号频率应为
5
随Ui 变化而变 化；
采 A 样 A2 3 输 出
t1
t2
t3
t4
t
图5.2 采样／保持器工作原理
数据采集与处理
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5.2 采样／保持器的工作原理
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
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5.2 采样／保持器的工作原理
它具有两个稳定的工作状态：
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。 孔径不定△tAP 孔径不定△tAP — 孔径时间的变化范围。 孔径时间使采样时刻延迟。
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
如果延迟时间不变，则对总的采样结 果的精确性不会有太大影响。
跟踪速度也较低。 反馈型
反馈型采样／保持器的结构如图5.4 所示。
数据采集与处理
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
R
-
K2
A1
Ui
-
+ eOS1
K1
+
UC CH
-
+
+
A2
U
O
eOS2
模拟地
UK
图5.4 反馈型采样／保持器的结构
当K1断开， K2e 的U当K1≈ U K2断开时，A1和A2共同组) i值上，使 U C 闭合， 闭合时，采样／保持器1 e 闭合，K2断开 (5 开关和有互补的关系： K1OS2 i OS1 成一个跟随器，采样／保持器工作于 工作于保持状态。 (5 式中 UOS1 和UOS2 分别为运放断开， 2K2闭合 2) e o ≈ e C eOS2 U1i A1eOS1 的失调电压。 K 和A 跟踪状态。
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。 K是模拟开关，由控制信号电压UK控制其 断开或闭合。CH是保持电容器。
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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。
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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ADC0804， 其转换时间tCONV=100s（时钟频率为 640kHz），位数n = 8，允许信号变化
1 为 LSB ，计算系统可采集的最高信 2
号频率。 解： 由式（5-5）知
数据采集与处理
则
dU i dt
1 U m cost max 2
在过零处
由于在正弦信号过零时，ωt = ±nπ， |cos(±nπ)| =1，所以
dU i dt 1 U m f U m max 2
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5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
而在A／D转换时间tCONV内，输入的 正弦信号电压最大变化率可能为
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作用： 此时，保持电容CH的端电压为 1断开瞬间 此时， CH的端电压保持在K 其输出电压反馈到输入端，使和共同组成一个跟随器。
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
优点： ① 采样/保持精度高，原因是只有eOS1影 响精度。 ② 跟踪速度快 结构复杂。 缺点：
数据采集与处理
希望的输出 孔径不定
由图5.5可知， 在tAP后的输出还 有一段波动，经 过一定时间tST后 才保持稳定。 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。
捕捉时间
tAP
保持
保持指令发出时刻
t
图5.5 采样／保持全过程 数据采集与处理
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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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。
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5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
U 1LSB
1 U LSB 2
f max
1 n (Hz) 2 tAP
1 2
n 1
(5 6)
f max
t AP
(Hz)
(5 7)
结论： 因为tAP一般远远小于A／D转换器的 转换时间tCONV，所以，有采样／保 持器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。
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。
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5.2 采样／保持器的工作原理
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。
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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 =100s （时钟频率为640kHz），计算系统可 采集的最高信号频率。
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
CS
-
Ui
+
A2
UO
K 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
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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。
数据采集与处理
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
由以上讨论可以看出，采样／保持器 的性能在很大程度上取决于保持电容器的 质量。因此，应该选择优质电容器。
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第5章 采样／保持器
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
首先讨论不用采样／保持器，而直接 用A／D转换器对模拟信号进行转换的情况。
f max
1 n 2 t CONV
(Hz)
(5 4)
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5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
1 如果允许正弦信号电压变化为 LSB ， 2
则系统可采集的最高信号频率为
f max
1 n 1 2 t CONV
(Hz)
(5 - 5)
由（5-4）、（5-5）式可看出，系统 可采集的最高信号频率受A／D转换器的 位数和转换时间的限制。
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第5章 采样／保持器
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 测量放大器的使用
5.5 测量放大器的使用
数据采集与处理
1
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第5章 采样／保持器
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，当输入信号频 率较高时，会造成很大的转换误差。
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第5章 采样／保持器
5.3 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 串联型采样／保持器的结构如图5.3 。
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
UK A1 K CH
模拟地
+
Ui
+
A2
UO
图5.3 串联型采样／保持器的结构
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SDUT
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
保持电压的下降
当采样／保持器处在保持状态时，由 于漏电流使保持电压值下降，下降值随保 持时间增大而增加，常用保持电压的下降 率来表示：
U I (pA) ( V / s) T C H (pF)
式中 I —— 保持电容CH的漏电流。
数据采集与处理