采样保持电路课件.ppt

,3.4.1 概述,3.4.2 采样/保持器的工作原理,3.4.3 类型和主要性能参数,3.4 采样保持电路,3.4.4 采集速率与采样/保持器的关系,3.4.5 采样/保持器集成芯片,3.4.6 使用中应注意的问题,3.4.1 概述,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。,3.4.2 采样保持器的工作原理,模拟信号,Ui,K,驱动信号,A,CH,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,3.4.2 采样保持器的工作原理,t,控制信号,t,模拟输入,A,t,采样输出,跟踪,t1,A2,t2,A1,t3,保持,A3,t4,A,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。,3.4.2 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。,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。,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。,3.4.2 采样保持器的工作原理,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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,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。,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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,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。,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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,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。,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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,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。,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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,-+,A2,CH,模拟地,- +,eOS2,K1,UK,UC,UO,R,K2,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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,-+,A2,CH,模拟地,- +,eOS2,K1,UK,UC,UO,R,K2,当K1闭合，K2断开时，,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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,-+,A2,CH,模拟地,- +,eOS2,K1,UK,UC,UO,R,K2,当K1断开，K2闭合时，,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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。,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Ui.,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U0Ui，则其差被A1放大，迅速对CH充电。,缺点：,结构复杂。,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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tAP,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,t,U,孔径误差,模拟信号,保持,跟踪,保持指令发出时刻,tAP,tST,保持,采样保持全过程,实际输出,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(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tAP,3.4.3 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。,t,U,孔径误差,模拟信号,保持,跟踪,保持指令发出时刻,tAP,tST,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),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tAP,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,t,U,孔径误差,保持,跟踪,保持指令发出时刻,tAP,tST,保持,采样保持全过程,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。,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tAC,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,t,U,孔径误差,保持,跟踪,保持指令发出时刻,tAP,tST,保持,采样保持全过程,tAP,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,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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。,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,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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,3.4.3 采样保持器的类型和主要性能参数,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。,3.4.4 系统采集速率与采样保持器的关系,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。,t,U,3.4.4 系统采集速率与采样保持器的关系,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.,t,t,U,U,正弦信号的最大变化率,模拟信号电压的最大变化率发生在正弦信号过零时：,由于在正弦信号过零时，t = n，|cos(n)| =1，所以：,3.4.4 系统采集速率与采样保持器的关系,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.,t,t,U,U,正弦信号的最大变化率,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:,由此可得出:,3.4.4 系统采集速率与采样保持器的关系,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.,t,t,U,U,正弦信号的最大变化率,如果一个n位的A/D转换器，满量程电压为FSR=Um，则它的“量化单位”LSB所代表的电压Ui=Um/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：,3.4.4 系统采集速率与采样保持器的关系,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.,t,t,U,U,正弦信号的最大变化率,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：,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tCONV=100s（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：,3.4.4 系统采集速率与采样保持器的关系,例子：,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t = tAP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:,3.4.4 系统采集速率与采样保持器的关系,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：,3.4.4 系统采集速率与采样保持器的关系,例子：,使用采样/保持器之后，系统能对频率不高于12.44kHz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tAP =50ns，ADC0804的转换时间 tCONV =100s（时钟频率为640kHz），计算系统可采集的最高信号频率。,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：,3.4.4 系统采集速率与采样保持器的关系,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）；tCONV：A/D转换器的转换时间。,tST ?,tAP与tAC、tCONV相比，可以忽略。,3.4.4 系统采集速率与采样保持器的关系,例子：,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tAC=6s，孔径时间tAP =50ns，ADC0804的转换时间 tCONV =100s（时钟频率为640kHz），计算系统可采集的最高信号频率。,解：,3.4.5 采样保持器集成芯片,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。,3.4.5 采样保持器集成芯片,1. AD582,AD582是通用型采样/保持器(国产型号5G582)。,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2，7，13，14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;有较高的输入阻抗，约30M；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。,3.4.5 采样保持器集成芯片,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+2V+US-3V之间时，处于保持模式。,3.4.5 采样保持器集成芯片,1. AD582的实用电路,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=(1+A2)CH。,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1+K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) 。,3.4.5 采样保持器集成芯片,1. AD582的实用电路,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tAC6s。,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 。,3.4.5 采样保持器集成芯片,1. AD582的实用电路,输出不反相电路，电路增益可由外接电阻来选择:,2. LF198(LF298, LF398),LF198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，U0=UI, D1，D2均不导通。当处于保持状态时，D1或D2之一导通,3.4.5 采样保持器集成芯片,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. LF198(LF298, LF398),LFl98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。,3.4.5 采样保持器集成芯片,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。,3.4.6 采样/保持器使用中应注意的问题,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。,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2-8=1/256=0.39%，与之相配的采样/保持器的误差带可取为0.2%(0.1%)。,AD582在CH=10pF时，要达到该精度，tAC =6s。,12位的A/D转换器，精度等于2-12100% = 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，tAC=25s。,3.4.6 采样/保持器使用中应注意的问题,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：,3.4.6 采样/保持器使用中应注意的问题,1. 采样保持器选用时应注意的问题,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。,3.4.6 采样/保持器使用中应注意的问题,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/dt)max,允许的孔径误差小于LSB/2，则孔径时间tAP应满足下式：,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。,3.4.6 采样/保持器使用中应注意的问题,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。,2. 电路设计中应注意的问题,漏电耦合的影响,3.4.6 采样/保持器使用中应注意的问题,解决方法：,印刷电路板布线时，应使逻辑输入端的走线尽可能远离与模拟输入端。,将模拟信号输入端用地线包围起来，以隔断漏电流的通路。,降低逻辑输入信号的幅值，如5V2.5V。,寄生电容的影响,2. 电路设计中应注意的问题,3.4.6 采样/保持器使用中应注意的问题,在逻辑信号输入端与保持电容器之间存在寄生电容，当逻辑信号输入端加一跳变的控制信号时，由于寄生电容的耦合作用，也将引起采样/保持器的输出误差。,例如：LF198，若保持电容是0.01F，设寄生电容为1pF，当逻辑信号输入端加一个5V的跳变信号，使采样/保持器从跟踪模式变为保持模式，由于寄生电容的影响，相当于在模拟输入端增加了1mV的输入信号，从而引起输出误差。,寄生电容的影响,2. 电路设计中应注意的问题,3.4.6 采样/保持器使用中应注意的问题,解决方法：,在印刷板上做一与采样/保持器输出端相连接的短路环，把保持电容的非接地脚包围起来，以减少寄生电容的影响。,3.4.6 采样/保持器使用中应注意的问题,习题：,（1）名词解释孔径时间tAP和捕捉时间tAC。（2）一个数据采集系统，孔径时间（包括抖动时间）tAP=80ns，捕捉时间tAC=1us，A/D转换时间tCONV=10us，位数为n=8，允许信号变化为LSB/2，计算系统可采集的最高输入信号频率。,答:,系统可采集的最高输入信号频率必须满足：当位数为8时，为了使信号变化在LSB/2范围内，必须,为了满足采样定理，必须,综合上述两个条件，得到系统可采集的最高输入信号频率为7.775kHz。,