数据采集技术5 采样 保持器
数据采集技术试卷
1、数据采集系统追求的主要技术指标有两个：一个是采样精度，另一个是 采样速度 。
2、-7对应的符号数值码是 1111 ，对应的2的补码是 1001 。
3、采用三片模拟多路开关AD7501构成一个具有24路输入通道的数据采集系统。
已知AD7501的漏电流为2nA ，导通电阻为300Ω，设信号源内阻为1000 Ω，则漏电流引起的输出误差电压为 59.8 μV 。
减小模拟多路开关漏电流的改进方法是 采用分级结合电路 。
图1器芯片AD521与变压器耦合信号的连接图，请判断其使用是否正确？ 不正确5、同上题，若放大器的增益G =100，请确定外接电阻G R = 1 kΩ。
二、单项1、在多路微弱信号的数据采集系统中，信号的流程顺序为（ ）。
多路开关→测量放大器→采样/保持器→A/D 转换器→微型计算机 2、按照数据处理的性质划分，“对数据作傅里叶变换”属于（ ）。
B 、 二次处理3、为使采样输出信号不失真地代表输入模拟信号，采样频率S f 和输入模拟信号的最高频率Im ax f 的关系是（ ）。
C 、S f 2Im ax f4、在以下对测量放大器和通用运算放大器的描述中，哪项不正确？（C）A、通用运算放大器的失调电压和温漂系数较大，一般不宜直接用于放大微弱信号B、通用运算放大器的抗共模干扰能力低于测量放大器C、在强干扰、弱信号的环境中，可以用高精度、低漂移的运算放大器代替测量放大器使用D、测量放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、高稳定增益等特点，可以在微弱信号检测系统中用作前置放大器5、采样保持器的作用是（）。
C、保证在A/D转换期间ADC输入模拟信号基本保持不变6、采样/保持器的孔径时间主要影响A/D转换的什么参数？（转换精度）7、ADC0809与8031单片机的中断方式接口电路中，转换结束后是由ADC0809的哪个管脚向8031发出一个脉冲提出中断请求？（EOC）8、AD574A是一种高性能的12位A/D转换器，它是（逐次逼近）型A/D转换器。
数据采集技术复习题(A4版)
数据采集复习题一、判断题对于下述每一描述，你认为正确的在括号中画‘√’，认为错误的在括号中画（1）消除混频滤波器不适于频域衰减较慢的信号。
（）（2）CMOS型场效应管模拟开关导通电阻波动小。
（）（3）多路开关的漏电流影响采样速度。
（）（4）微机与双刀多路开关可方便地组成程控放大器。
（）（5）测量放大器的非线性度对系统精度的影响和增益关系很大。
（）（6）温漂是可以用补偿电路消除的。
（）（7）程控隔离放大器中，若CPU由单独电源供电，则CPU只与放大器输入端进行光电隔离即可。
（）（8）增大采样/保持器的C H有助于提高其性能。
（）（9）含采样/保持器的数据采集系统，用A/D的转换状态信号作为采样/保持器的开关信号，可使系统协调工作。
（）（10）集成电路多路开关主要由计数器、译码器、场效应开关管组成的。
（）（11）采样/保持器的跟随性能越好，系统的采样精度越高。
（）（12）A/D启动信号的脉宽小于孔径时间时影响系统的采样精度。
（）（13）A/D启动信号的脉宽大于孔径时间时影响系统的采样精度。
（）（14）输入通道扩展的数量受限于多路开关的导通电阻、漏电流以及开关速度等因素。
（）（15）测量电桥在测量中会产生差模干扰。
（16）测量电桥在测量中会产共模干扰。
（17）采样/保持器的保持性能越好，系统的采样精度越高。
（）（18）采样/保持器的保持性能越好，系统的采样速率越高。
（）（19）采样/保持器的保持性能越好，系统的采样速率越低。
（）（20）抗50Hz的工频干扰的方法之一是在数字地与模拟地之间加去耦电容。
（21）测量放大器的输入端对直流共模信号不具有放大功能。
（）（22）测量放大器对于差模信号很敏感。
（）（23）测量放大器的输入端的结构对称性主要是抑制交流共模干扰的。
（）（24）串联型采样/保持器输出失调电压比并联型采样/保持器输出失调电压要大。
（）（25）采样/保持器可大幅度提高采样输入信号的频率。
（）（26）具有模拟和数字信号混合的芯片使用时，模拟地和数字地要分别接到系统的模拟地和数字地参考点上。
数据采集与处理技术试卷
一、绪论（一）、1、“数据采集"是指什么？将温度、压力、流量、位移等模拟量经测量转换电路输出电量后再采集转换成数字量后，再由PC 机进行存储、处理、显示或打印的过程。
2、数据采集系统的组成?由数据输入通道，数据存储与管理，数据处理,数据输出及显示这五个部分组成。
3、数据采集系统性能的好坏的参数?取决于它的精度和速度。
4、数据采集系统具有的功能是什么？(1）、数据采集,（2）、信号调理，（3）、二次数据计算，（4)、屏幕显示，(5）、数据存储，（6)、打印输出，（7）、人机联系。
5、数据处理系统的分类？分为预处理和二次处理两种；即为实时（在线）处理和事后(脱机）处理。
6、集散式控制系统的典型的三级结构?一种是一般的微型计算机数据采集系统,一种是直接数字控制型计算机数据采集系统，还有一种是集散型数据采集系统.7、控制网络与数据网络的结合的优点?实现信号的远程传送与异地远程自动控制.(二）、问答题 :1、数据采集的任务是什么？数据采集系统的任务：就是传感器输出信号转换为数字信号,送入工业控制机机处理，得出所需的数据。
同时显示、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视，还将被生产过程中的PC机控制系统用来控制某些物理量。
2、微型计算机数据采集系统的特点是(1）、系统结构简单；（2)、微型计算机对环境要求不高；(3）、微型计算机的价格低廉，降低了数据采集系统的成本；（4）、微型计算机数据采集系统可作为集散型数据采集系统的一个基本组成部分；(5）、微型计算机的各种I/O模板及软件齐全，易构成系统,便于使用和维修；3、简述数据采集系统的基本结构形式，并比较其特点？(1)、一般微型计算机数据采集与处理系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器、计算机及外设等部分组成。
(2）、直接数字控制型数据采集与处理系统(DDC)是既可对生产过程中的各个参数进行巡回检测,还可根据检测结果，按照一定的算法,计算出执行器应该的状态(继电器的通断、阀门的位置、电机的转速等），完成自动控制的任务。
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。
数据采集与处理技术第3版(上册)课后习题解答-马明建
LSB 2
第5章 习题与思考题
③ 输入信号的最大变化率为
dU i •
dtmax
f
•Um
则 由③有
diU 3 .1 4 1 13 0 1 0 3.4 1 13 （0 V） d tmax
由②有
第5章 习题与思考题
1LSB 2
dU
•
dt
tCO
NV
( 1 1 0 0 0 . 0 % 0 2 1 6 1 ) 0 1 0 6
则最高信号频率
fmax
1
2n1(tAP
12tAP)
1
3.702kHz
2121 3.14(101)109
2
第5章 习题与思考题
5-7. 一个数据采集系统的孔径时间tAP=2ns， 试问一个10kHz信号在其变化率最大点
被采样时所能达到的分辨率是多少？
解：∵
fmax
1
2ntAP
∴ 2n 1
fmaxtAP
T d 0.00001
第3章 习题与思考题
⑵ 选择多路开关
∵ 由表3.5可知，CD4051的ton和toff 都为0.8μs
则 CD4051开关的切换时间为1.6μs
开关的切换速率
1 6250 60 2 k0 5 H 1.61 0 6
∴ 多路开关选择 CD4051。
第4章 习题与思考题
4-2. 设一数据采集系统有测量放大器，已知 R1=R2=5kΩ，RG=100Ω，R4=10kΩ ， R5=20kΩ，若R4和R5的精度为0.1%， 试求此放大器的增益及CMRR。
则
tA C 1 1 1 0 3 0 t CO 1 N 1 1 0 3 V 1 0 1 0 6 0 9 1 5 s 0
微型计算机控制技术第二版课后习题答案独立整理版-潘新民
第二章6 采样-保持器有什么作用？说明保持电容大小对数据采集系统的影响。
答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器。
保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。
保持电容值小，则采样状态时充电时间常数小，即保持电容充电快，输出对输入信号的跟随特性好，但在保持状态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差；反之，保持电容值大，保持性能好，但跟随特性差。
7 在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样-保持器，为什么？答：并不是所有的模拟量输入通道都需要采样保持器的，因为采样保持器是为了防止在A/D转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，所以只要A/D转换的时间比信号变化的时间短就不需要。
8 采样频率的高低对数字控制系统有什么影响？举出工业控制实例加以说明？9 A/D和D/A转换器在微型计算机控制系统中有什么作用？答：答：A/D的作用主要是把传感器检测到的模拟电信号转换为数字电信号，方便用于单片机中进行处理。
D/A的作用，在单片机处理完毕的数字量，有时需要转换为模拟信号输出，D/A的作用正是用于把数字信号转换为模拟信号。
10 A/D转换器转换原理有几种？他们各有什么特点和用途？答：逐次逼近型，分辨率高，误差较低，转换速度快，应用十分广泛；双积分型：性能比较稳定，转换精度高，抗干扰能力强，电路较简单，工作速度低，多用于对转换精度要求较高，对转换速度要不高的场合，如数字电压表等检测仪器中，用的十分普遍。
并联比较型：转换速度快，精度高，但使用的比较器和触发器多，适用于速度高，精度要求不高的场合。
11 说明逐次逼近型A/D转换器的转换原理。
答：开始转换以后，时钟信号首先将寄存器的最高有效位置为1，使输出数字为100…0，这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压U0，送到比较器中并与比较电压U1比较，若U0>U1,将高位的1清除；若U0<U1，将最高位保留。
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—
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
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§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
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§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。
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。
第九章数据采集技术第三讲
AD582的特性如下： 1）有较短的捕获时间，最短达6μs，电容越大，捕获时间越长，它影响采样频率。 2）有较高的采样/保持电流比，可达107，该值是电容充电电流与保持模式电容漏电流之比，表征采样/保持器的质量。 3）有较高的输入阻抗，约30M 。 4）有可达±Us输入信号电平，适用于12位A/D转换器。 5）有相互隔离的模拟地、数字地，提高了抗干扰能力。 6）有差动式逻辑驶入端。 7）可与任何独立的运算放大器连接。
一、采样/保持器的工作原理 采样/保持器是指在输入逻辑电平的控制下，处于“采样”和“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； 在“保持”状态下，电路的输出保持着前一次采样结束瞬间的模拟输入信号，直到进入下一次采样状态为止。
最基本的采样／保持器的构成 模拟开关 存储元件（保持电容） 缓冲放大器 图中，K为模拟开关；CH为保持电容；A为缓冲放大器；而Vc为模拟开关控制信号，确定采样还是保持的状态。
串联型采样/保持器 串联型采样/保持器的基本结构如下图所示。运算放大器A1和A2为输入、输出缓冲放大器，用来提高采样/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为模拟开关，CH为保持电容。
当开关闭K合时，输入信号Vi通过A1对CH高速充电，CH的电压将跟踪Vi的变化；当开关K断开时，采样/保持器从跟踪状态变为保持状态，CH没有放电回路，在理论上CH的电压将一直保持在K断开瞬间Vi的值上。 优点：结构简单。 缺点：失调电压为两个运放失调电压之和，且比较大，影 响采样/保持器的精度；同时，跟踪速度也比较低。
2、工作过程 1）准备阶段： CR信号 把计数器清零，让K2 闭合，等电容放电后， 再断开K2。 2）采样阶段：开关K1接通Ui，正的输入电压Ui加积分器输入端，积分器从0开始对Ui积分。
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。
中国石油大学--数据采集--考试习题答案
19、热电偶测温的充要条件? (1)只有当热电偶的两个电极材料不同,且两个接点的温度也不同时,才会产生电势, 热电偶才能进行温度测量。 (2)当热电偶的两 个不同的电极材料确定后,热电势便与两个接点温度 T、T0 有关。即回路的热电势是两个接点的温度函数之差。 20、极距变化型电容传感器适宜于测量微小位移量是因为（灵敏度与极距的平方成反比,间距变化大则产生非线形误差） 21、可用于实现非接触式测量的传感器有__电容式传感器_和_霍尔传感器__等。 22、常用的压电材料有_压电晶体__和_压电陶瓷__和 高分子材料压电薄膜。 23、当测量较小应变值时应选用_压阻__效应工作的应变片, 24、当测量大应变值时应选用_ 应变__效应工作的应变片。 25、光电元件中常用的有光敏电阻、光敏晶体管和_光电池__。 26、不同的光电元件对于不同波长的光源,其灵敏度是_不相同的__。 27、电阻应变片的电阻相对变化率是与__应变片的灵敏度_成正比的。 28、电容式传感器有_变间隙__、变面积和变介质三种类型。 29、在三种类型的电容式传感器中_变间隙__型的灵敏度最高。 30、霍尔元件是利用半导体元件的_霍尔效应__特性工作的。 31、按光纤的作用不同,光纤传感器可分为_传感型__和_传光型__两种类型。 第3章 1、根据 CD4051 的结构原理图分析说明 8 路模拟开关的工作原理。答： 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 SO-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，就可选择八个通道 S0-S7 中的一路。 2、采样定理?什么叫周期采样?采样时间?采样周期?一般情况下如何选择采样周期? 答：1)采样定理：在 进 行 模 拟 / 数 字 信 号 的 转 换 过 程 中 ， 当 采 样 频 率 fs.max 大 于 信 号 中 最 高 频 率 fmax 的 2 倍 时 (fs.max>=2fmax) ，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高 频率的 5 ～ 10 倍；采样定理又称奈奎斯特定理。2)周期采样：就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟 信号 y(t)按一定的时间间隔 T 转变为瞬时 0T,2T,3T….的一连串的脉冲序列信号 y*(t) 3)采样时间：采样开关每次闭合的时间 4)采样周期：采样开关每次通断的时间间隔。5)如何选择采样周期:计算法，复杂不常 用;经验法:根据人们在工作实践中积累的经验以及被控对象的特点，参数，先粗选一个采样周期 t，送入计算机的控制系统进 行试验，根据对被控对象的实际控制效果，反复修改 T，直到满意。 3、什么叫量化?量化误差?简述量化过程? 答：量化：模拟信号经采样后得到的离散信号转为数字信号的过程。量化误差：由此引发的误差。过程采样以后，样值是连 续的，经过量化器将之离散化，然后才能进行进一步的处理。量化过程：把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整 数倍比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位来代替该幅值。 4、设被测温度的变化范围为 300°C-1000°C,如要求测量误差不超过±1°C,应选用分辨率为多少位的 A/D 转换器? 答：10 答： 取最大的温度变化范围 1000℃， 最小的温度分辨为 1℃， 这样只要不少于 1000 等份就可以。 因此可选 10 位 A/D 转换器， 若它的满量程是 1000℃，最小的温度分辨为：1000/(2 的 10 次方-1)=0.98 度
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
采样保持器
反馈型采样/保持器的结构
采样保持器 李为民
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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
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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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eOS2
U
O
CH
模拟地
UK
图5.4 反馈型采样／保持器的结构
其此作输时用出此，电：时保压，反持馈C电到H容输的入C端H端电的，压端使和保电共持压同在为组成K1一断个开跟瞬随器间。
式的开中U关当工U当成跟Ui和e值作KOo一踪KC1S有上于断≈11≈和闭个状互，保开U补合跟态eU使持，OC的S， 。随i2状K分关器eK2态e别系O闭2，OS断。为2：S合1采开运时U样KK放时e，11iO／断闭，AS采2开1合保和eA样O，，1持AS和1／2KK器的A22断保闭失2工共开((合持调5作5同器电于组21压))。
A
在t1时刻，驱动信号为低电
A1
采 样 输
AA23
平t，3时模刻拟，开驱关K动断信开号，为此时低 电电容平CH时上，的模电压拟U开C 关保K持断
出
模开拟，开关....断..。开瞬间的Ui 值
t1 t2 t3
t4
t
不变并等待A／D转换器转
换。
图5.2 采样／保持器工作原理
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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。
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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
UO
驱动信号
CH
模拟地
图5.1 采样／保持器的一般结构形式
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5.2 采样／保持器的工作原理
组成
模拟开关K 电容CH 缓冲放大器A
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5.2 采样／保持器的工作原理
控 制 跟踪
工作原理如下：
信
号
A 模 拟 输 入
保持
t t
在动关上U通而新此平合随i t信K，变过1时在一，，U时闭号使化模i刻个模t驱合变为得而C拟2时前，H高C跟拟动变化开，H端刻模电化关踪 开端信而控电，拟平。加电时 关号变制输时压保到压刻K又电化入，电UU持重路到为C信模C；容结的跟新又高号拟来C束驱随HU闭跟开电，i，
则
dU i dt
max
1 2
U
m
cost
在过零处
由于在正弦信号过零时，ωt = ±nπ， |cos(±nπ)| =1，所以
dU i dt
max
1 2Um
f
Um
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CUIT 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
采集的最高信号频率。
解：由式（5-7）知
f max
1
2 n 1 t AP
1 281 3.14 50 10 9
12440 .3(Hz) 12.44(kHz)
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CUIT 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。
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。
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CUIT 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。
该误差与输入信号有关，是一个不可 预估的误差。
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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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CUIT 5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
UK
-
-
Ui
+ A1
+ A2
UO
K
CH
模拟地
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
f max
2(t AC
1 tCONV
tAP )
(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
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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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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CUIT 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。
但若孔径时间在变化，则对精度就会 有影响。
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CUIT 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
缺点：结构复杂。
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CUIT 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
f max
1
2 n tCONV
(Hz) (5 4)
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CUIT 5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
如果允许正弦信号电压变化为 1 LSB ，
2
则系统可采集的最高信号频率为
f max
1
2 n1tCONV
(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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CUIT 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
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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CUIT 5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
U i
t CONV
dU i dt
max
由此可得出
U i Um
f
t CONV
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CUIT 5.4 系统采集速率与采样／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
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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
5.6 采样／保持器使用应注意问题
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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。
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。
反馈型
反馈型采样／保持器的结构如图5.4 所示。
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CUIT Ui
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
R
-
- + + A1 eOS1
K2 K1
UC
-
- + + A2
图5.3 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。
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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CUIT 5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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CUIT 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 为 1 LSB，计算系统可采集的最高信