3.4 采样保持电路

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。
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.2 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。
捕捉时间
t
采样／保持全过程
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
2. 采样／保持器的主要性能参数
4. 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。
保持电压的 U (V / s) I (pA) 下降率： T CH (pF)
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
反馈型采样/保持器
R +
+
K2
A1
K1
Ui
UC
CH
-
+
-
eOS1
eOS2
+
A2
UO
A1的输入 失调电压
UK
模拟地
反馈型采样／保持器的结构
A2的输入 失调电压
其输出电压反馈到输入端，使A1和A2共同组成一个跟随器。 开关K1和K2有互补的关系： K1闭合，K2断开; K1断开，K2闭合;
保持电容CH 的漏电流
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CH的值可使保持电压的变化率不大，但将 使跟踪的速度下降。
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
2. 采样／保持器的主要性能参数
5. 馈送 馈送：指在保持状态时，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。
U 跟踪到保 持的偏差
△tAP tST
tAP
跟踪
保持 保持 保持指令发出时刻
t
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
2. 采样／保持器的主要性能参数
7. 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。
此误差与馈送不同，是由直流分量引起。
1. 采样／保持器的类型
反馈型采样/保持器
优点：
采样/保持精度高：原因是只有eOS1影响精度。 跟踪速度快：因为是全反馈，直接把输出U0与 输入Ui比较，如果U0≠Ui，则其 差被A1放大，迅速对CH充电。
缺点：
结构复杂。
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
孔径时间只是使采样 为了量化的准确， 时刻延迟，如果每次采样 应在发出保持指令 的延迟时间都相同，则对 后延迟一段时间， 总的采样结果的精确性不 再启动A/D转换。 会有影响。改变保持指令 发出时间，即可消除孔径 时间。
U
孔径误差
模拟信号
实际输出
希望的输出
tST
tAP 跟踪 保持 保持
保持建立时间 (设定时间) t
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
当开关K闭合时，采样/保持器为跟踪状态。由于A1是高增益 放大器，其输出电阻和开关K的导通电阻RON很小，输入信号 Ui通过A1对CH的充电速度很快，CH的电压将跟踪Ui的变化。
组成：模拟开关K、电容CH和缓冲放大器A。
K
模拟信号 Ui 驱动信号 UC
A CH
模拟地
UO
采样／保持器的一般结构形式
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.2 采样／保持器的工作原理
采样／保持器工作原理
控 制 信 号 A 模 拟 输 入 跟踪 保持 跟踪 保持 跟踪
K
UC Ui t
A
UO
CH
驱动信号 模拟地
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。
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。
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.2 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。
K2
A1
K1
Ui
UC
CH
-
+
Biblioteka Baidu
-
eOS1
eOS2
+
A2
UO
UK
模拟地
反馈型采样／保持器的结构
当K1断开，K2闭合时， 采样/保持器工作于保持状态。 此时，CH的端电压保持在K1断开瞬间UC的值上，则：
Uo ≈UC eOS2 Ui eOS1
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
3.4 采样保持电路
3.4.1 概述 3.4.2 采样/保持器的工作原理 3.4.3 类型和主要性能参数 3.4.4 采集速率与采样/保持器的关系
3.4.5 采样/保持器集成芯片 3.4.6 使用中应注意的问题
第三章 数据采集技术 采样保持电路
3.4.1 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。
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
U C ≈Ui eOS1 eOS2
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
反馈型采样/保持器
R +
+
在保持状态，K2闭合，放大器A1的 输出仍在跟踪输入，避免A1开环而 进入饱和，使得当采样/保持器再次 转入跟踪状态时，A1能立即跟踪Ui.
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
当K断开时，采样/保持器从跟踪状态变为保持状态，这 时CH没有充放电回路，在理想情况下，CH的电压将一直 保持在K断开瞬间Ui的最终值上。
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。
U
孔径误差
△tAP tST tAC tAP 跟踪 保持 保持 保持指令发出时刻
态时，输出电压开 如果在保持状态时的 始跟踪输入电压， 输出为-FSR，而在 保持状态结束时输入 并达到误差范围内 已变至+FSR，则所 所需要的最小时间。 需的捕捉时间最长。 tAC与规定误差 而这就是产品手册上 给出的 tAC值。 范围、保持电容 CH的大小有关。
U
孔径误差
模拟信号
实际输出
希望的输出
tST
tAP 跟踪 保持 保持
保持建立时间 (设定时间） t
保持指令发出时刻
采样／保持全过程
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
2. 采样／保持器的主要性能参数
1. 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。
tAP 跟踪 保持 保持 保持指令发出时刻
t
采样／保持全过程
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
2. 采样／保持器的主要性能参数
3. 捕捉时间tAC
捕捉时间 tAC：指当 捕捉时间不影响采样 精度，但对采样频率 采样／保持器从保 的提高有影响； 持状态转到跟踪状
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
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。
第三章 数据采集技术
工作原理如下：
A
t
A1 采 样 A2 输 A3 出
t1
t2
t3
t4
t
而在 t1时刻，驱动信号为低 t2时刻，保持结束， 时刻前 ，控制电路的 在 t3时刻，驱动信号为低 电平，模拟开关 新一个跟踪时刻到 K断开 来， 驱动信号为高电平时，模 电平时，模拟开关 K 断， 此时电容 CH 上的电压UC 此时驱动信号又为高电 拟开关 K。 闭合，模拟输入 开，...... 平，模拟开关 K 重新闭 保持模拟开关断开瞬间的 信号 Ui 通过模拟开关加到 U 合， C 端电压UA 又跟 D转 电容 C C／ i 值不变并等待 H上，使得 C H H端电 换器转换 随UC 。 压 跟随 Ui 变化而变化。 i 变化而变；
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。
增大保持电容器CH有利于减少电荷转移偏差，但也增 大了采样/保持器的响应时间。
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 2. 采样／保持器的主要性能参数
2. 采样／保持器的主要性能参数
1. 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。
保持建立时间 tST： 模拟开关从闭合到完 由于孔径时间的存 在 tAP后的输出还有 全断开需要一定时间， 由保持指令开始，到输 在，采样 /保持器实际保 一段波动，经过一 当接到保持指令时，采 出在规定的误差带内达 持的输出值与希望的输 定时间后才保持稳 样 /保持器的输出并不保 到稳定所需要的时间； 入值之间存在一定的误 定。 持在指令发出瞬时的输 差，该误差称为孔径误 入值上，而是会跟着输 差； 入变化一段时间；
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
反馈型采样/保持器
R +
+
K2
A1
K1
Ui
UC
CH
-
+
-
eOS1
eOS2
+
A2
UO
UK
模拟地
反馈型采样／保持器的结构
当K1闭合，K2断开时，A1和A2共同组成一个跟随器，采样/ 保持器工作于跟踪状态。此时，保持电容CH的端电压为：
保持指令发出时刻
采样／保持全过程
第三章 数据采集技术
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3.4.3 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
2. 孔径不定△tAP
孔径不定△tAP：孔径 时间的变化范围。
若孔径时间在变 化，则对精度会 造成影响；
U
孔径误差
△tAP tST
孔径不定
尤其，在高速采 集系统中孔径时 间的变化影响很 大。
CS
Ui UC K CH
-
+
A2
UO
馈送的通路 增大保持电容器CH有利于减少馈送，但不利于采样频 率的提高。
第三章 数据采集技术
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3.4.3 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
6. 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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采样保持电路
3.4.2 采样／保持器的工作原理
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： 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。