第5章-采样／保持器ppt课件.ppt

1SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.1 概述概述5.2 采样采样/ /保持器的工作原理保持器的工作原理5.3 类型和主要性能参数类型和主要性能参数第第5章章 采样保持采样保持器器5.4 采集速率与采样采集速率与采样/ /保持器的关系保持器的关系5.5 测量放大器的使用测量放大器的使用5.5 测量放大器的使用测量放大器的使用2SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.1 概述概述第第5 5章章 采样保持器采样保持器问题：问题： 模拟信号进行模拟信号进行 AD 转换时转换时，从启从启动转换到转换结束输出数字量，需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率较高时，会造成很大的转换误差解决方法：解决方法： 采用一种器件，在采用一种器件，在AD转换时转换时保持住输入信号电平，在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这种功能的器件就是采样保持器3SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理第第5 5章章 采样保持器采样保持器5.2 采样采样保持器的工作原理保持器的工作原理采样采样保持器的一般结构形式如图保持器的一般结构形式如图5.1所示所示。

模拟信号模拟信号UiK驱动信号驱动信号ACH模拟地模拟地UO图图5.1 采样保持器的一般结构形式采样保持器的一般结构形式4SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.25.2 采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理组成组成 模拟开关模拟开关K电容电容CH缓冲放大器缓冲放大器A5SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理在在t1时刻前时刻前，控制电路的驱控制电路的驱动信号为高电平时，动信号为高电平时，模拟开模拟开关关K 闭合，模拟输入信号闭合，模拟输入信号Ui 通过模拟开关加到电容通过模拟开关加到电容CH 上，使得上，使得CH端电压端电压UC 跟随跟随Ui 变化而变化变化而变化在在t1时刻，驱动信号为低电时刻，驱动信号为低电平，模拟开关平，模拟开关K断开断开，此时此时电容电容CH 上的电压上的电压UC 保持保持模拟开关断开瞬间的模拟开关断开瞬间的Ui 值值不变并等待不变并等待AD转换器转转换器转换换5.25.2 采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理工作原理如下：工作原理如下： t控控制制信信号号t模模拟拟输输入入At采采样样输输出出跟踪跟踪t1A2t2A1t3保持保持A3t4A图图5.2 采样保持器工作原理采样保持器工作原理而在而在t2时刻，保持结束，时刻，保持结束，新一个跟踪时刻到新一个跟踪时刻到 来，来，此时驱动信号又为高电此时驱动信号又为高电平，模拟开关平，模拟开关K 重新闭重新闭合，合， CH 端电压端电压UC 又跟又跟随随Ui 变化而变变化而变 化；化；t3时刻，驱动信号为低时刻，驱动信号为低电平时，模拟开关电平时，模拟开关K断断开开，.。

6SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.25.2 采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理从以上讨论可知：从以上讨论可知： 采样采样保持器是一种用逻辑电平控保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件制其工作状态的器件 7SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.25.2 采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理它具有两个稳定的工作状态：它具有两个稳定的工作状态：跟踪状态跟踪状态 在此期间它尽可能快地接收模拟输入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，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一直到接到保持指令为止保持状态保持状态 对接收到保持指令前一瞬间的模拟输对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持入信号进行保持8SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.25.2 采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理采样保持器主要起以下两种作用：采样保持器主要起以下两种作用：“稳定稳定” ” 快速变化的输入信号，以减少快速变化的输入信号，以减少转换误差转换误差。

用来储存模拟多路开关输出的模拟信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号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号9SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理第第5 5章章 采样保持器采样保持器5.3 采样采样保持器的类型和主要性能参数保持器的类型和主要性能参数 1. 采样采样保持器的类型保持器的类型 按结构分为两种类型：按结构分为两种类型： 串联型串联型串联型采样保持器的结构如图串联型采样保持器的结构如图5.3 10SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.35.3 采样保持器的类型和主要性能参数采样保持器的类型和主要性能参数 A1和和A2分别是输入和输出缓冲放大器，用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，由控制信号电压是模拟开关，由控制信号电压UK控制其控制其断开或闭合断开或闭合CH是保持电容器是保持电容器 Ui -+A1KUK -+A2CH模拟地模拟地UO图图5.3 串联型采样保持器的结构串联型采样保持器的结构11SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.35.3 采样保持器的类型和主要性能参数采样保持器的类型和主要性能参数 优点：优点：缺点：缺点： 其失调电压为两个运放失调电压之和，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。

比较大，影响到采样保持器的精度跟踪速度也较低跟踪速度也较低 结构简单结构简单 反馈型反馈型 反馈型采样反馈型采样保持器的结构如图保持器的结构如图5.4 所示所示 12SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.35.3 采样保持器的类型和主要性能参数采样保持器的类型和主要性能参数 其输出电压反馈到输入端，使和共同组成一个跟随器其输出电压反馈到输入端，使和共同组成一个跟随器 开关和有互补的关系：开关和有互补的关系： K1闭合闭合，K2断开断开K1断开断开， K2闭合闭合图图5.4 反馈型采样保持器的结构反馈型采样保持器的结构Ui -+A1- +eOS1 -+A2CH模拟地模拟地- +eOS2K1UKUCUORK2作用：作用： 当当K1闭合闭合， K2断开时断开时，A1和和A2共同组共同组成一个跟随器成一个跟随器，采样采样保持器工作于保持器工作于跟踪状态跟踪状态 此时此时，保持电容保持电容CH的端电压为的端电压为式中式中 eOS1 和和 eOS2 分别为运放分别为运放 A1和和A2的失调电压的失调电压当当K1断开断开， K2闭合时闭合时，采样采样保持器保持器工作于保持状态工作于保持状态。

此时此时， CH的端电压保持在的端电压保持在K1断开瞬间断开瞬间的的Ui值上值上，使使 13SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.35.3 采样保持器的类型和主要性能参数采样保持器的类型和主要性能参数 优点：优点： 采样采样/保持精度高，原因是只有保持精度高，原因是只有eOS1影影 响精度响精度 跟踪速度快跟踪速度快缺点：缺点： 结构复杂结构复杂14SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.35.3 采样保持器的类型和主要性能参数采样保持器的类型和主要性能参数 孔径时间孔径时间tAP 保持指令给出瞬间到模保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历拟开关有效切断所经历的时间 如图如图5.5所示所示 2. 采样采样保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数孔径时间孔径时间tAP15SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理捕捉时间捕捉时间捕捉时间捕捉时间孔径不定孔径不定孔径不定孔径不定5.35.3 采样保持器的类型和主要性能参数采样保持器的类型和主要性能参数 由图由图5.5可知可知，在在tAP后后的输出还的输出还有一段波动有一段波动，经经过一定时间过一定时间tST后后才保持稳定才保持稳定。

tU孔径误差孔径误差实际输出实际输出实际输出实际输出希望的输出希望的输出希望的输出希望的输出模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号保持保持跟踪跟踪保持指令发出时刻保持指令发出时刻tAPtAPtACtST保持保持图图5.5 采样保持全过程采样保持全过程 为了量化的为了量化的准确准确，应在发出应在发出保持指令后延迟保持指令后延迟一段时间，再启一段时间，再启动动AD转换转换16SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.35.3 采样保持器的类型和主要性能参数采样保持器的类型和主要性能参数 由于孔径时间的存在，而产生由于孔径时间的存在，而产生孔径误差孔径误差 采样保持器实际保持的采样保持器实际保持的输出值与希望输出值之差输出值与希望输出值之差 孔径不定孔径不定tAP 孔径不定孔径不定tAP 孔径时间的变化范围孔径时间的变化范围 孔径时间使采样时刻延迟孔径时间使采样时刻延迟17SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.35.3 采样保持器的类型和主要性能参数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。

果的精确性不会有太大影响 但若孔径时间在变化，则对精度就会但若孔径时间在变化，则对精度就会有影响18SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理捕捉时间捕捉时间tAC 捕捉时间捕捉时间 指当采样保持器从保持状指当采样保持器从保持状态转到跟踪状态时，采样态转到跟踪状态时，采样保持器的输出从保持状态的保持器的输出从保持状态的值变到当前的输入值所需的值变到当前的输入值所需的时间5.35.3 采样保持器的类型和主要性能参数采样保持器的类型和主要性能参数 捕捉时间不影响采样精度，但对采样捕捉时间不影响采样精度，但对采样频率的提高有影响频率的提高有影响19SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.35.3 采样保持器的类型和主要性能参数采样保持器的类型和主要性能参数 保持电压的下降保持电压的下降 当采样保持器处在保持状态时，由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持时间增大而增加，常用保持电压的下降率来表示：率来表示：式中式中 I 保持电容保持电容CH的漏电流的漏电流。

20SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.35.3 采样保持器的类型和主要性能参数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将使跟踪的速度下降 馈送馈送馈送馈送 指输入电压指输入电压Ui的交流分量通过开的交流分量通过开关关K的寄生电容的寄生电容CS加到加到CH上上，使使得得Ui的的变化引起输出电压变化引起输出电压UO的微的微小变化小变化21SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理5.35.3 采样保持器的类型和主要性能参数采样保持器的类型和主要性能参数 交流分量引起的误差交流分量引起的误差 保持电容器保持电容器CH，馈送馈送，但不利于采样频率的。