第5章-采样保持器

数据采集与处理技术采样/保持器2微型计算机数据采集系统数据采集系统的结构形式传感器放大器采样/保持器传感器传感器传感器…A/D转换器计算机显示器打印机绘图机定时与逻辑控制传感器传感器接口被测物理量数字信号开关信号…多路开关数据采集与处理技术采样/保持器35.1概述5.2采样/保持器的工作原理5.3类型和主要性能参数5.4采集速率与采样/保持器的关系5.5采样/保持器集成芯片5.6使用中应注意的问题第5章采样/保持器数据采集与处理技术采样/保持器45.1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，在转换时间内，模拟信号必须保持不变，否则会造成转换误差。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。“模拟信号存储器”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。数据采集与处理技术采样/保持器5模拟通道的结构形式——A/D通道的结构形式①单通道不带S/H——直流或低频模拟信号带S/H——高频变化的模拟信号②多通道每个通道有自己的S/H和ADC——并行多通道各通道有自己的S/H,共享ADC各通道共享S/H和ADC5.1概述微机系统的A/D通道数据采集与处理技术采样/保持器6S/HI/OS/HS/HA/DA/DA/DI/OI/OCPUA1A2An并行多通道A/DS/HS/HS/HA1A2An多路开关A/DI/OCPU共享A/D的多通道A1A2An多路开关A/DI/OCPU共享S/H和A/D的多通道5.1概述数据采集与处理技术采样/保持器75.1概述5.2采样/保持器的工作原理5.3类型和主要性能参数5.4采集速率与采样/保持器的关系5.5采样/保持器集成芯片5.6使用中应注意的问题第5章采样/保持器数据采集与处理技术采样/保持器85.2采样/保持器的工作原理模拟信号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。UC数据采集与处理技术采样/保持器95.2采样/保持器的工作原理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A/D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，......。数据采集与处理技术采样/保持器10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采样/保持器的工作原理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。数据采集与处理技术采样/保持器11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采样/保持器的工作原理电容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。数据采集与处理技术采样/保持器125.1概述5.2采样/保持器的工作原理5.3类型和主要性能参数5.4采集速率与采样/保持器的关系5.5采样/保持器集成芯片5.6使用中应注意的问题第5章采样/保持器数据采集与处理技术采样/保持器135.3采样/保持器的类型和主要性能参数5.3.1采样/保持器的类型按结构分为两种类型：1.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。数据采集与处理技术采样/保持器145.3采样/保持器的类型和主要性能参数5.3.1采样/保持器的类型按结构分为两种类型：1.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。数据采集与处理技术采样/保持器155.3采样/保持器的类型和主要性能参数按结构分为两种类型：1.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。5.3.1采样/保持器的类型数据采集与处理技术采样/保持器165.3采样/保持器的类型和主要性能参数按结构分为两种类型：1.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。5.3.1采样/保持器的类型数据采集与处理技术采样/保持器17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采样/保持器的类型和主要性能参数按结构分为两种类型：1.串联型采样/保持器5.3.1采样/保持器的类型数据采集与处理技术采样/保持器18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采样/保持器的类型和主要性能参数2.反馈型采样/保持器A1的输入失调电压A2的输入失调电压5.3.1采样/保持器的类型数据采集与处理技术采样/保持器19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采样/保持器的类型和主要性能参数2.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。5.3.1采样/保持器的类型数据采集与处理技术采样/保持器205.3.1采样/保持器的类型反馈型采样/保持器的结构Ui-+A1-+eOS1-+A2CH模拟地-+eOS2K1UKUCUORK2当K1断开，K2闭合时，5.3采样/保持器的类型和主要性能参数2.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。OS1iOS2CoeUeUU≈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.数据采集与处理技术采样/保持器21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采样/保持器的类型和主要性能参数2.反馈型采样/保持器5.3.1采样/保持器的类型数据采集与处理技术采样/保持器22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。5.3.2采样/保持器的主要性能参数1.孔径时间tAP5.3采样/保持器的类型和主要性能参数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；tU孔径误差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希望的输出保持建立时间(设定时间）数据采集与处理技术采样/保持器235.3.2采样/保持器的主要性能参数保持建立时间tST5.3采样/保持器的类型和主要性能参数在tAP后的输出还有一段波动，经过一定时间后才保持稳定。tST：由tAP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；tU孔径误差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希望的输出保持建立时间(设定时间）数据采集与处理技术采样/保持器245.3.2采样/保持器的主要性能参数5.3采样/保持器的类型和主要性能参数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希望的输出保持建立时间(设定时间）数据采集与处理技术采样/保持器25孔径不定△tAP：孔径时间的变化范围。2.孔径不定△tAP5.3采样/保持器的类型和主要性能参数采样／保持全过程tU孔径误差保持跟踪保持指令发出时刻tAPtST保持△tAP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。5.3.2采样/保持器的主要性能参数数据采集与处理技术采样/保持器26tAC：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。3.捕捉时间tAC5.3采样/保持器的类型和主要性能参数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tACtAC与规定误差范围、保持电容CH的大小有关。5.3.2采样/保持器的主要性能参数数据采集与处理技术采样/保持器273.捕捉时间tAC5.3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，但对采样频率的提高有影响；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。5.3.2采样/保持器的主要性能参数数据采集与处理技术采样/保持器28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。4.保持电压的下降5.3采样/保持器的类型和主要性能参数5.3.2采样/保持器的主要性能参数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△tAPtACtACUt保持电压的下降数据采集与处理技术采样/保持器29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。4.保持电压的下降5.3采样/保持器的类型和主要性能参数)pF()pA()s/V(HCITU保持电压的下降率