智能仪器-智能第四章4.5.ppt

4.5采样保持电路及多路模拟开关,一、引言 采用A/D转换器对模拟信号进行转换时，总需要一定的时间来完成采样、量化及相应的编码工作 A/D转换器的转换时间TC取决于器件、采用的方法、转换位数等多个因素如果在转换时间TC内，输入模拟信号仍在变化，此时进行量化显然会产生一定的误差 下面我们以最常用的正弦信号为例估计这个误差如对正弦波信号V＝VFSsin2πft采样，在转换时间TC内，信号电压最大变化发生在正弦信号过零时，如图所示，此时信号变化速率为,,,,,,,,,,,,,,,V,∆V,VFS,t,,而在转换时间TC内最大可能出现的误差可用下式进行估算 由此可得出 式中，f为输入的正弦信号频率 如果要求误差△V小于量化电平Q，Q＝VFS/2N 最大正弦信号频率可用下式计算,例如一个12位ADC，转换时间TC=25us，用它来直接转换一个正 弦波信号并要求精度优于1LSB，则信号频率不能超过1.5Hz可见ADC直接转换模拟变换信号在很多情况下是行不通的大多数情况下都要在交变信号源与ADC之间加接采样保持 （ S/H ）电路作用是采集信号的某一指定瞬间的值（即样品），保持样品值在一段时间内不变，让ADC转换。

转换结束后，ADC给出信号，S/H保持电路再采集新的样品，再次转换……S/H电路起着模拟电压记忆器件的作用最简单的S/H电路如：,二.采样保持器（S/H）分类,S/H电路,S/H,跟踪/保持（T/H）,,S/H电路非常快速的对输入信号采样，然后进入保持模式，开关S仅在很短的时间内闭合一般由脉冲变压器予以驱动，开关闭合时间小于几十纳秒跟踪/保持电路（T/H）的开关则有较长时间接通，在接通期间输出跟踪输入只是在控制指令下电路才进入保持模式，保持住指令对应的瞬时输入电压不变,（a.）S/H电路,（b.）跟踪/保持电路,三、几种S/H电路的性能,S/H电路应用时的两个问题,为了尽可能快地使保持电容器CH上的电压跟踪输入信号，电容器的充电回路应该有尽可能小的时间常数然而模拟信号源的内阻未必是很小的因此有必要在信号源与开关S之间接入输入缓冲放大器输入缓冲器应该有高的输入阻抗和低的输出阻抗，并且有高的压摆率以适应输入阶跃变化的需要，还应该有大的电流输出能力用以对电容器充电1. 速度问题：,2. 精度问题：,在保持模式时，要求电容器上的电压保持不变，这除了要求电容器的漏电流应该极小外，还要求与输出相联接的电路，例如ADC有极高的输入阻抗，以免电容器通过这些电路放电。

但是这些电路的输入电阻未必很大例如ADC的输入电阻一般约为2.5-10kΩ 因此有必要在电容器与后续电路之间接入输出缓冲器输出缓冲器应该有极高的输入阻抗（往往高达 1010Ω）、高的压摆率以及低的输出阻抗 上面讨论的应该增加的电路和对元件的要求，其核心问题是两个，即S/H电路的速度和精度3.采样/保持电路的技术指标,,孔径时间：指发出保持指令到开关真正打开所需要的时间 输入信号频率愈低，孔径误差愈小 捕捉时间：指从开始采样至采样保持器输出达到输入信号的值所需要的时间与保持电容、输入缓冲器的压摆率有关采样时间必须大于捕捉时间一般采样保持电路达到输入0.01%的捕捉时间在300ns-15us 保持电压的下降：一般在0.01uV-1uV/ms 馈通（送）：指在保持期间由于输入信号电压变化而引起输出电压变化的程度，其值一般在0.01%-0.001% 电压增益精度：指当环境和电源变化时，电压增益可以保持的精度孔径不定性,孔径时间,V,∆V,VFS,t,（一）反相闭环积分型采样/保持电路,下图是一种结构简单，精确的采/保电路输入带有缓冲器,由于R1=R2,电路总增益为-1输出运放接成积分器形式，所以这种电路称为反相闭环积分型电路。

这种电路比较精确，但采集样品时间较长，因而不是快速的1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Vi,A1,2K,R1,S,+,-,CH,2000pF,R2 2K,A2,Vo,控制逻辑,开关S接通，电路进入采集模式，电容器CH被充电，电容器两端电压即为输出电压Vo由于积分器反相输入端是虚地，流过R1的电流IR1是恒定的，IR1=Vi/R1对电容器CH的充电电流ICH是IR1的一部分，随着输出电压Vo增长，充电电流将减小，所以Vo的增长将是非线性的，可列方程：,电路分析：,当R1=R2时得：,式中τ=R1CH ，是充电回路的时 间常数当R1=2kΩ ，CH=2000 pF时， τ=R1CH =4us如果要 求输出电压与输入电压之差的百 分比，即精度为0.01%—大约相 当于12位数据转换的0.5LSB，则 t=9τ=36us上面的计算说明，在输入加以阶跃符号Vi后，要经过约36us输出Vo才能达到（1-0.01%）Vi还没有包括输入缓冲的建立时间和运放的响应速度 对输入缓冲级的输入阻抗要求，可以从对S/H的精度要求估算得到，例如ADC为12位，即对S/H的传输精度要求为0.01%，如果信号源内阻为1kΩ则分压在信号源内阻上的降落比例应小于0.01%。

即S/H输入阻抗应大于108Ω当然，这种误差可归结为增益误差，可在系统的其他电路予以补偿 对输出运放的输入阻抗要求更高，因为在保持模式时，电容器通过输出运放的输入阻抗放电，使电容器电压即输出电压降落，直接影响到精度所以输出运放都是以场效应器件作为输入级，输入阻抗可高达1010Ω电容器电压降低与电容量大小有关为避免降落过大，电容量不能太小因此，时间常数τ也就不会很小时间常数中的另一项R1也不能过小因为在保持模式时，R1与R2起着隔离模拟输入与S/H输出的作用从隔离效果看，R1,R2越大越好正因如此，这种电路的速度不会很快 为了提高电路的工作速度，可在反馈电路内增加一个电压增益为1的放大器，如下图所示：,,,,,,+1,,,,+1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,控制逻辑,Vi,A1,R1,A,A2,R2,2000pF,CH,S,A3,+,-,Vo,5K,5K,现在，对电容器的充电电流由A2提供,经A3输出阻抗构成电路A2,A3的输出阻抗约为10Ω，充电时间常数是由A2,A3输出阻抗之和（约20Ω）乘以电容量CH如果CH仍取2000pF，则时间常数τ仅为40ns比前一种电路4us小得多。

不过集成运放可以提供的充电电流是有限的，如果A2,A3两者都可最大提供20mA，则电容器一开始以恒定电流20mA充电，输出电压线性上升（负向），然后A点电位有足够下降，A2,A3脱离高压摆率的限制，充电电流随输出电压负向增大而减小，充电到终值的0.01%以内大约要1.2us，比前一种电路的36us快很多同时R1,R2已不再是决定时间常数的因素了，为了有良好的隔离，它们的数值可以取得大些A1,,,,,,,,+1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Vi,+,-,S,R,CH,A2,Vo,（二）非反相闭环单位增益采/保电路,这是另一种常用的S/H电路，输出与输入同相，增益为1 保持电容CH一般是外接的，以增加使用的灵活性为了避免外接电容接地而损坏A1,S/H内部加接了300Ω电阻，这个电阻还可防止A1因纯容性负载易引起振荡从电路可以看出这是从输出到输入的闭环负反馈，因此运放A1,既是输入缓冲器，又是误差纠正放大器在采样模式时，如果输入与输出有差异，输出经R反馈到A1，误差经A1反相放大后使电容器充（放）电，直到误差趋近零，由于具有误差纠正能力，放大器A2的增益就不必很精确，只要粗略为+1就可以了。

在采样模式时，输出跟踪输入A1的输出等于A2的输入，上图中的两个二极管均不工作 保持模式时，S断开，两个二极管使A1的输出嵌位于其输入，A1处于闭环状态，得以稳定的工作在保持模式时电阻R使A2的输出与A1的输入隔离开保持模式时，电容器CH上的电压降是误差的最大来源，电压降落的原因除了电容器自身漏电、通过放大器A2输入阻抗放电外,现在讨论的这种采/保电路由于电容器是外接的，电容器的非地端会通过印刷电路板的焊点对周围其它电位不同的导体放（充）点，特别是印刷电路板质量不高，绝缘电阻不大或被沾污时更为严重为了减小这种电压降落，可以在印刻电路板上围绕CH非地端制作保护环，如图：,保护环与S/H输出端相连，它与CH非地端等电位，有些S/H集成块的安排已注意到这需要保护环,LF198/298/398的原理框图,为了提高精度（即使其下降速度慢），要增加保持电容CH，但CH增大又会增加采样时间两级采样/保持电路原理,二、多路模拟开关,主要用途： (1)是把模拟信号分时地送入ADC，完成多到一的转换； (2) 把由DAC转换成的模拟信号，按一定的顺序输出到不同的控制回路中去完成一到多的转换 常用半导体多路开关： CD4051（双向8路）、CD4066（四路双向）、CD7501（单向8路）、CD4052（单向、差动、4路）,漏电流：指通过断开的开关的电流。

动态响应：与动态响应有关的参数有两个，一个是开关的切换时间，另一个是开闭合后系统的带宽 源负载效应误差：指信号源电阻RS和开关导通电阻RON与多路开关后接器件的等效电阻RL分压而引起的误差它使输出信号减小 串扰：指断开通道的信号电压偶合到接收通道而引起的干扰模拟多路开关的主要性能指标,双向8通道多路开关CD4051,由电平转换、译码/驱动和开关电路三部分组成 电平转换可实现CMOS到TTL逻辑电平的转换加到通道选择输入端的控制信号的电平幅度可为3V~20VCD4051内部结构图,CD4051真值表,CD4051多路开关组成的16路模拟开关原理图,半导体模拟开关的导通电阻一般在100欧姆左右，在要求开关导通电阻小的场合下应采用继电器继电器工作原理与符号,单片机控制继电器 接口电路图,讨论：,采样保持的孔径时间及孔径不定性我们已作了介绍，采样过程也有类似的问题吗？ 快速采样与长时间保持是一对矛盾，实际工作中应如何平衡？,。