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。5.2 5.2 电容CH对精度的影响如果电容值过大则其时 数模转换电路
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输入信号的跟踪特性而且在跟踪的瞬间电容两端的电压会与输入信号电压有一定的误差。如果电容值过小在保持状态时由于电容漏电流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。在选择电容时容量大小要适宜以保证其时间常数适中并选用泄露小的电容。另外一般在输入端和输出端均采用缓冲器以减少信号源的输出阻抗增加负载的输入阻抗。5.3 5.3 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Ui-A1KUK-A2CH模拟地UO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。5.3 5.3 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Ui-A1KUK-A2CH模拟地UO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。5.3 5.3 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Ui-A1KUK-A2CH模拟地UO 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。5.3 5.3 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Ui-A1KUK-A2CH模拟地UO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。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。5.3 5.3 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闭合反馈型采样保持器的结构Ui-A1-eOS1-A2CH模拟地
-eOS2K1UKUCUORK25.3 5.3 1. 采样保持器的类型反馈型采样/保持器A1的输入失调电压A2的输入失调电压反馈型采样保持器的结构Ui-A1-eOS1-A2CH模拟地
-eOS2K1UKUCUORK2当K1闭合K2断开时OS2OS1iCeeUU≈5.3 5.3 1. 采样保持器的类型反馈型采样/保持器此时保持电容CH的端电压为A1和A2共同组成一个跟随器采样/保持器工作于跟踪状态。反馈型采样保持器的结构Ui-A1-eOS1-A2CH模拟地-eOS2K1UKUCUORK2当K1断开K2闭合时5.3 5.3 1. 采样保持器的类型反馈型采样/保持器此时CH的端电压保持在K1断开瞬间UC的值上则采样/保持器工作于保持状态。OS1iO S2CoeUeUU≈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U1.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。5.3 5.3 1. 采样保持器的类型反馈型采样/保持器孔径时间tAP保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。2. 采样保持器的主要性能参数1.孔径时间tAP5.3 5.3 tU孔径误差模拟信号模拟信号保持跟踪保持指令发出时刻tAPtST保持采样保持全过程实际输出实际输出希望的输出希望的输出模拟开关从闭合到完全断开需要一定时间当接到保持指令时采样/保持器的输出并不保持在指令发出瞬时的输入值上而是会跟着输入变化一段时间在tAP后的输出还有一段波动经过
一定时间后才保持稳定。保持建立时间保持建立时间设定时间设定时间保持建立时间tST由保持指令开始到输出在规定的误差带内达到稳定所需要的时间由于孔径时间的存在采样/保持器实际保持的输出值与希望的输入值之间存在一定的误差该误差称为孔径误差孔径时间tAP 保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。2. 采样保持器的主要性能参数1.孔径时间tAP5.3 5.3 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。孔径时间只是使采样时刻延迟如果每次采样的延迟时间都相同则对总的采样结果的精确性不会有影响。改变保持指令发出时间即可消除孔径时间。tU孔径误差模拟信号模拟信号保持跟踪保持指令发出时刻tAPtST保持采样保持全过程实际输出实际输出希望的输出希望的输出保持建立时间保持建立时间设定时间设定时间孔径不定△tAP孔径时间的变化范围。2. 采样保持器的主要性能参数2.孔径不定△tAP5.3 5.3 tU孔径误差保持跟踪保持指令发出时刻tAPtST保持采样保持全过程数据加密网关
△tAP孔径不定孔径不定若孔径时间在变化则对精度会造成影响尤其在高速采集系统中孔径时间的变化影响很大。捕捉时间tAC指当采样保持器从保持状态转到跟踪状态时输出电压开始跟踪输入电压并达到误差范围内所需要的最小时间。2. 采样保持器的主要性能参数3.捕捉时间tAC5.3 5.3 tU孔径误差保持跟踪保持指令发出时刻tAPtST保持采样保持全过程△tAP捕捉时间捕捉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tAC如果在保持状态时的输出为-FSR而在保持状态结束时输入已变至FSR则所需的捕捉时间最长。而这就是产品手册上给出的tAC值。tAC与规定误差范围、保持电容CH的大
小有关。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。2. 采样保持器的主要性能参数4.保持电压的下降5.3 5.3 pFpAs/VHCITU保持电压的下降率保持电容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。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。2. 采样保持器的主要性能参数5.馈送5.3 5.3 馈送的通路Ui-A2CHUOCSKUC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。tU保持跟踪保持指令发出时刻tAPtST保持△tAP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。2. 采样保持器的主要性能参数6.跟踪到保持的偏差5.3 5.3 跟踪到保持的偏差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。2. 采样保持器的主要性能参数5.3 5.3 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。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。2. 采样保持器的主要性能参数5.3 5.3 选择保持电容器重点考虑绝缘电阻减少电容漏电流介质吸收对保持电压有影响。如果对一个电容器充电到一定电压Ue然后对它短路放电一定时间后再开路电容器上的电压将从零往Ue方向缓变。电容器表现出来的“电压记忆”特性称为电容器的介质吸收。0U5V-5V保持跟踪保持介质吸收误差电容器的介质吸收5.4
5.4 直接用AD转换器对模拟信号进行转换：如果模拟信号不经过采样/保持器而直接输入A/D 转换器系统允许该模拟信号的变化率就得降低。要保证A/D转换的精度必须确保A/D 转换过程中模拟信号的变化量不得大于LSB/2.任何一种A/D转换器都需要一定的转换时间来完成量化和编码等过程。设转换时间为tCONV 。如果在转换时间内输入的模拟信号仍在变化此时进行量化就会产生一定误差。tUUiUm2sinωt对正弦信号采样UiUm2sinωtUm25.4 5.4 直接用AD转换器对模拟信号进行转换：如果模拟信号不经过采样/保持器而直接输入A/D转换器系统允许该模拟信号的变化率就得降低。要保证A/D转换的精度必须确保A/D转换过程中模拟信号的变化量不得大于
LSB/2.tUm2△t△UU正弦信号的最大变化率UiUm2sinωt模拟信号电压的最大变化率发生在正弦信号过零时在过零处tUtUcos21ddmmaxi由于在正弦信号过零时ωt
±nπcos±nπ 1所以ddimmUtUfUmax125.4 5.4 直接用AD转换器对模拟信号进行转换：如果模拟信号不经过采样/保持器而直接输入A/D转换器系统允许该模拟信号的变化率就得降低。要保证A/D转换的精度必须确保A/D转换过程中模拟信号的变化量不得大于LSB/2.tUm2△t△UU正弦信号的最大变化率UiUm2sinωt而在AD转换时间tCONV 内输入的正弦信号电压最大变化率可能为:UtUtiCONViddmax由此可得出: UUftimCONV5.4 5.4 直接用AD转换器对模拟信号进行转换：如果模拟信号不经过采样/保持器而直接输入A/D转换器系统允许该模拟信号的变化率就得降低。要保证
led日光管
A/D转换的精度必须确保A/D转换过程中模拟信号的变化量不得大于
LSB/2.tUm2△t△UU正弦信号的最大变化率UiUm2sinωt如果一个n位的A/D转换器满量程电压为FSRUm则它的“量化单位”LSB所代表的电压△UiUm/2n。如果在转换时间tCONV内允许的电压的最大变化不超过1LSB所代表的电压则系统可采集的最高信号频率为CONVmax21tfn5.4 5.4 直接用AD转换器对模拟信号进行转换：如果模拟信号不经过采样/保持器而直接输入A/D转换器系统允许该模拟信号的变化率就得降低。要保证A/D转换的精度必须确保A/D转换过程中模拟信号的变化量不得大于LSB/2.tUm2△t△UU正弦信号的最大变化率UiUm2sinωt如果允许正弦信号电压变化
0.5LSB则系统可采集的最高信号频率为CONV1max21tfn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。已知A/D转换器的型号为ADC0804其转换时间tCONV100s时钟频率为640kHz位数n 8允许信号变化为LSB/2计算系统可采集的最高信号频率。解5.4 5.4 Hz22.61010014.32121618CONV1maxtfn该系统无采样/保持器只能对频率低于6.22Hz的信号进行采样。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△ttAP内讨论系统可采集模拟信号的最高频率。则系统可采集的信号最高频率为:5.4 5.4 ULSB1Hz21APmaxtfnULSB12Hz21AP1maxtfn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。解5.4 5.4 使用采样/保持器之后系统能对频率不高于12.44Hz的信号进行采样使系统可采集的信号频率提高了很多倍大大改善了采样速率。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tAP50nsADC0804的转换时间tCONV1
00s时钟频率为640kHz计算系统可采集的最高信号频率。kH44.12105014.32121918AP1maxztfn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能处理的最高输入信号频率应为
海马ゆう
21APCONVACmaxtttf5.4 5.4 tAC采样/保持器的捕捉时间tAP采样/保持器的最大孔径时间包括抖动时间tCONVA/D转换器的转换时间。tST tAP与tAC、tCONV相比可以忽略。5.4 5.4 数据采集系统能够采集的信号的最高频率既要受到采样/保持器的孔径时间tAP和采样精度n的限制也要受到采样定理的限制。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的捕捉时间tAC6s 孔径时间tAP50nsADC0804的转换时间tCONV100s时钟频率为640kHz计算系统可采集的最高信号频率。kH72.410100106212166maxzttfCONVAC5.5 5.5 目前采样/保持器大多数是集成在一块芯片芯片内不包含保持电容器保持电容器是由用户根据需要自选并外接在芯片上。种类芯片主要指标、用途通用型AD582 AD583 LF198
LF398TAC在几usTAP为几十至100多ns高速型THS-0025 THS-0060THC-0030
THC-1500TAC、TAP均为20-30ns高分辨率型SHA1144为14位分辨率设计5.5 5.5 1. AD582AD582是通用型采样/保持器国产型号5G582。
垃圾篓1234567891011121314INNULLOUTPUT-INCHNCNCNCNCSU-SULL-AD582管脚及结构示意它由一
个高性能的运算放大器、低漏电流的模拟开关和一个由结型场效应管集成的放大器组成。它采用14脚双列直插式封装.其中脚1是同相输入端脚9是反相输入端保持电容CH接在脚6与脚8之间脚10和脚5是正负电源脚11和脚12是逻辑控制端脚3和脚4接直流调零电位器脚271314为空脚Nc。AD582的特性如下有较短的信号捕捉时间最短达6s有较高的采样保持电流比可达107有细叩氖淙胱杩乖?0MΩ输入信号电平可为电源电压±US具有相互隔开的模拟地、数字地从而提高了抗干扰能力具有差动的逻辑输入端AD582可与任何独立的运算放大器连接。5.5 5.5 1. AD582该时间与所选的保持电容有关保持电容器充电电流与保持模式时电容漏电流之间的比值L相对L-的输入电压在-6V0.8V时处于跟踪模式L相对于L-的偏置为2VUS-3V之间时处于保持模式。5.5 5.5 1. AD582的实用电路数字地
1345689101112CHRLUiA1oU2A-2k15V-15V0.05uF10k模拟地ΩΩAD582实用电路一是反馈型采样/保持器增益为1输出不反相的连接线路。保持电容接在运放的输出端脚8与反相输入端脚6之间。根据“密勒效应”这样的接法相当于在A2的输入端接有电
容CH’1A2CH。调零电位器密勒效应反相放大电路中输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用其等效到输入端的电容值会扩大1K倍其中K是该级放大电路电压放大倍数。坏处密勒电容对器件的频率特性有直接的影响。好处1. 采用较小的电容来获得较大的电容这种技术在IC设计中具有重要的意义可以减小芯片面积2.获得可控电容例如受电压或电流控制的电容。5.5 5.5 1. AD582的实用电路数字地1345689101112CHRLUiA1oU2A-2k15V-15V0.05uF10k模拟地ΩΩAD582实用电路一所
以只需要外接较小的电容因此可获得较高的采样速率当精度要求不太高±0.1而速度要求较高时可选CH 100pF这时的捕捉时间tAC≤6s。当精度要求较高±0.01时为减小馈送的影响和减缓保持电压的下降应取CH 1000pF。5.5 5.5 1. AD582的实用电路数字地1345689101112CHRLUiA1oU2A-2k15V-15V0.05uF10k模拟地ΩΩAD582实用电路二RFR1输出不反相电路电路增益可由外接电阻来选择:11FRRK2.
LF198LF298 LF398LF198也是反馈型采样/保持器用二极管D1、D2代替模拟开关K2。当处于跟踪状态时U0UI D1D2均不导通。当处于保持状态时D1或D2之一导通5.5 5.5 LF198的结构LF198的供电电压为5V18V。控制电压UK为TTL电平当UK1.4V时
LF198处于跟踪状态当UK负跳变从“1”变为“0”时转向保持状态。2. LF198LF298
LF398LFl98可外接电位器作直流和交流的凋零。直流凋零是补偿运算放大器的失调电压与一般运放的调零相同。5.5 5.5 LF198的结构直流调零交流调零交流调零方法是把模拟开关的控制电压UK加到一反相器上在反相器的输入与输出间接了一个10k 欧姆电位器电位器的中心抽头经10pF小电容与保持电容Cu端连接这是用以补偿Uo
跳变时加到CH上的脉冲。5.6 5.6 //1. 采样保持器选用时应注意的问题每一次数据采集过程都包括一次采样和一次A/D转换所以采样/保持器和A/D转换器各完成一次动作所需时间之和应小于采样周期Ts。ttt
TACSTCONVS捕捉时间保持建立时间A/D转换时间tAC与规定误差范围有关。因此tAC的大小应与A/D转换器的精度配合。同时tAC也与采样/保持器所选保持电容CH的大小有关。8位A/D转换器的精度等于
2-81/2560.39与之相配的采样/保持器的误差带可取为0.2±0.1。AD582在CH10pF时要达到该精度tAC6s。12位的A/D转换器精度等于2-12×100 0.024 则应取采样/保持器的误差带为0.01±0.005。AD582在CH 1000pF时要达到该精度tAC25s。5.6 5.6 //1. 采样保持器选用时应注意的问题保持电压下降率对AD转换器输入端的电压稳定度的影响。为了保证数据采集精度应使在A/D转换时间tCONV内采样/保持器的保持电压下降不超过LSB/2即保持电压下降率为CONV21ddtLSBtU5.6 5.6 //1. 采样保持器选
三通管接头用时应注意的问题pFpAs/VHCITU然后根据如下公式校核CH的值保持电容CH的漏电流根据LSB可以定出dU/dt孔径时间与精度、信号的最大变化率的关系。5.6 5.6 //1. 采样保持器选用时应注意的问题设输入信号的最大变化率为dUi/dtmax允许的孔径
误差小于LSB/2则孔径时间tAP应满足下式LSBtdtdUi21APmaxmaxAP/2dtdULSBti或2. 电路设计中应注意的问题接地采样保持器是一种由模拟电路与数字电路混合而
成的集成电路一般有分离的模拟地和数字地引脚。目的避免数字电路的突变电流对模拟电路的影响。
5.6 5.6 //方法将模拟地与数字地分别用引线接到模拟电源和数字电源的参考点上。LF198模拟输入3U1U-45输出6CH78逻辑信号输入0V5VLF198采样/保持逻辑原因当进入保持模式时逻辑输入信号会通过印刷电路板布线间的漏电流
耦合到模拟输入端而引起保持误差。2. 电路设计中应注意的问题漏电耦合的影响5.6 5.6 //当逻辑信号端输入一个快速上升的逻辑输入信号使采样/保持器进入保持模式
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