信号采集原理.ppt

信号转换电路
第一节 采样保持电路
信号转换电路
从信息形态变化的观点将各种转换分为三种： ① 从自然界物理量到电量的转换 ② 电量之间的转换 ③ 从电量到物理量的转换
采样保持电路
? 基本性质
u0
?源自文库
?ui ?t?
? ?ui
?t0
?
采样期 保持期(t0为发出保持命令的时刻）
捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，直到输出信号稳定地跟踪上输入信号 为止，所需的时间定义为捕捉时间
b) Ron1
R1
C1
∞ -
+ + N2
C
uo uo
精度提高的方法（电路）
（2）电容校正方法的矛盾
精度 《》 速度
Ron2
C1
∞
∞
-
-
Ron
关断时间：从发出保持指令地时刻起，直到输出信号稳定下来为止，所需的 时间定义为关断时间。
捕捉时间长，电路的跟踪特性差，关断时间长，电路的保持特性不好，它们 限制了电路的工作速度。
第一节 采样保持电路
采样保持电路的基本性质 组成： 1. 模拟开关 2. 模拟信号存储电容 3. 缓冲放大器
第一节 采样保持电路
ui ,uo
O fs(t)
O Ts
a)
uo
f(t)
t
t
第一节 采样保持电路
F (f)
O fmin fmax F s(f)
E0 O F(f)* Fs(f)
a)
E1 fs b)
f
E2
2fs
f
O fmin fmax fs- fmax fs fs+ fmax
2 fs
f
fs＋fmin
fs－fmin
采样保持电路
元件性能的影响和要求
? 模拟开关的性能参数
为了得到高质量的采样保持电路，场效应模拟开关 的速度应快，极间电容，夹断电压或开启电压，导通 电阻和反向漏电流等参数都应小。
模拟开关
? 增强型MOSFET开关电路（绝缘栅型）
i
S BD
ui
uo
i
D BS
ui
uo
G uc
a)
G uc
b)
Ron
O
u iu i
什么是电容的吸附效应？
? 实验分析表明，阻容电路的时 间常数相差很大，可从几十毫 秒到几十秒。
? （1）T充电时间 《MAX(T阻容电路 )
切断充电 （2）T充电时间 》MAX(T阻容电路 )
1
切断电源将电容器短路，且 T短路时间《（3～5）MAX(T 阻容电路)
.
总结
从元件方面来看，提高精度的重要措施是 减小各种漏电流和偏置电流，选用介质吸 附效应小的电容器，减小开关导通电阻等 的影响。提高工作速度的措施是提高开关 速度，减小开关极间电容的影响，选用上 升速率和输出电流大的运算放大器。
o
模拟开关
? CMOS开关电路
uGP
+E
ui
-E
uo
uGN a)
Ron Ron(P)
Ron(N)
Ron(C)
O
o
uiui
b)
集成模拟开关
? CMOS开关电路
u u c
1 1
DcG 1
ui
V4
+
E
V5
-E
图 6 -6
V3
V4
V2
V3
+ uo
E
1
V1
D G1D2 2
含 辅 助电 路 的 CMOS 开 关电
对采样保持电路的主要要求： 精度和速度
为提高实际电路的精度和速度，可从元件和 电路两方面着手解决。
元件性能的影响和要求
? 输入输出缓冲器
特别需注意的参数：
∞
输入偏置电流以及带 宽，上升速率和最大
∞
-
S
+
-
+
+ N2
uo
输出电流等性能参数。 ui
+ N1
C
Uc
元件性能的影响和要求
? 模拟开关
模拟开关是一种在数字信号控制下将模拟信号接通 或断开的元件或电路。该开关由开关元件和控制（驱 动）电路两部分组成。
精度提高的方法（电路）
（1）模拟开关漏电流 的旁路
-E
V ui
R V1
∞
-
+
+N
uo
C
Uc
精度提高的方法（电路）
（2）电容校正方法
Uc
R1
VD1 V1
VD2 V2
C1
ui
∞
∞ -
R2
+
R3
V
-
+
+ N2
uo
ui
+ N1
C
ui
∞ -
+ + N1
Ron2
Ron C
C1
∞ -
+ + N2
∞ -
+ + N1
元件性能的影响和要求
? 模拟开关的性能参数
静态特性：主要指开关导通和断开时输入端与输出 端之间的电阻Ron和Roff,此外还有最大开关电压、最 大开关电流和驱动功耗等。
动态特性：开关动作延迟时间，包括开关导通延 迟时间Ton 和开关截止延迟时间Toff, 通常Ton>Toff, 理 想模拟开关时Ton →0，Toff→0
什么是电容的吸附效应？
? 在实际电容器中，电容器介质 的偶极子及其界面极化的形成 和消失都不可能瞬时实现，往 往需要一定的时间，因而使电 介质常数随信号频率和环境温 度变化，不能似为常数
1
? 实际电容器的仿真模型如右图 所示，图中C为理想电容值， R0为电容器的泄漏电阻，其余 的阻容网络为则为介质吸附效 应的仿真。
元件性能的影响和要求
? 模拟开关的分类（电压和电流开关）
VX
VK
RL
Ix
IK
RL
(a) 电压开关
(b) 电流开关
元件性能的影响和要求
? 模拟开关的分类（电压和电流开关）
R2
R2
R1
-?
+V R
R1
V0
+VR
-?
V0
+
+
元件性能的影响和要求
? 模拟开关的分类
按切换的对象使用的元件：机械触点式和电子式开关 机械触点式：干簧继电器，水银继电器及机械振子继 电器等。 电子式开关：二极管、双极性晶体管、场效应晶体管、 光耦合器件及集成模拟开关等。
多路模拟开关
输入 /输出
+E
76 5 4 32 10
16
4 2 5 1 12 15 14 13
A 11
路电换转平电辑逻
8
B 10
选
1
译
C9
码 电
路
INH 6
8
7
-E1
-E2
S1
S2
S3
S4
S5
输出 /输入
S6
S7
S8
图 6-7 CD4051 原理图
元件性能的影响和要求
? 存储电容
选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容器，如聚苯乙 烯，钽电容和聚碳酸脂电容器等。(原因：当电路从采样 转到保持，介质的吸附效应会使电容器上的电压下降，被 保持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，峰值检波器 复位时，电容放电，介质吸附效应会使放电后的电容电压 回升，引起小信号峰值的检波误差。电容器的泄漏电阻引 起电容上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持精度）
开关元件
控制电路
元件性能的影响和要求
? 模拟开关的分类
按切换的对象分： 电压和电流开关
电压模拟开关的特点是：当开关断开时，跨于它两端 的电压总与被换接的电压Vx有关，而且通过开关的电 流则与负载RL有关。
电流模拟开关的特点是：不管负载电阻RL的大小如何， 流过开关的电流总是和被换接的电流Ix相等，而且换接 的电压则由RL*Ix决定。