第5章采样保持器讲述.ppt

数据采集与处理技术 第5章 采样/保持器 主要内容 采样/保持器的工作原理 采样保持器的类型和主要性能参数 系统采集速率与采样/保持器的关系 采样保持器使用中应注意的问题 5.1 概述 模拟信号通过A/D转换器转换为数字信号需要一定的转换时间 模拟信号在A/D转换器转换过程中要基本保持不变，否则转换精度没有保证，尤其在输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差 解决办法： 提高A/D转换器的转换速度，减小转换时间 通过某种器件将某时刻的模拟信号保持住，然后再由A/D转换器进行转换 5.2 采样/保持器的工作原理 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，主要由模拟开关、电容和缓冲放大器组成，一般结构形式如图所示 5.2 采样/保持器的工作原理 t1时刻之前，开关闭合，模拟信号对电容进行充电，电容电压随模拟信号电压变化，跟踪期； t1时刻，开关断开，电容电压为断开瞬间的模拟信号电压，保持期； 5.2 采样/保持器的工作原理 采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件，它有两个稳定状态： 跟踪状态 保持状态 采样保持器的作用 “稳定”快速变化的输入信号，以利于减少采样误差 储存模拟多路开关输出的模拟信号，有利于提高多路信号采集速率 影响采样保持器精度的因素 电容的电容值 电容值过大，时间常数大，对高频信号的跟踪能力差 漏电流 漏电流影响电压的保持 负载的阻抗 阻抗太小也会引起保持信号电平的变化 减小影响因素的措施 输入输出缓冲，减少信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗 选择适当的电容值，保证时间常数适中 选用泄漏小的电容 5.3.1 采样/保持器的类型 采样保持器按结构可以分为两种类型：串联型和反馈型 串联型采样保持器的结构 优点：结构简单 缺点：失调电压为两个运放失调电压之和，影响采集精度，跟踪速度较低 5.3.1 采样/保持器的类型 反馈型采样保持器 采样精度高于串联型 跟踪速度较快 5.3.2 采样保持器的主要性能参数 孔径时间tAP 是指保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。 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出值之间存在一定的误差，该误差称为孔径误差 5.3.2 采样保持器的主要性能参数 孔径不定ΔtAP 指孔径时间的变化范围 孔径时间体现的是采样时刻的延迟，而孔径不定是对这个延迟的变化的描述 孔径时间从理论上说可以用改变采样时刻的方式消除，而孔径不定则会对采样的精度及频率产生影响 孔径时间是对具体的一次采样个体的描述，而孔径不定则是对孔径时间的一个总体上的描述 5.3.2 采样保持器的主要性能参数 捕捉时间tAC 是指当采样保持器从保持状态转到跟踪状态时，采样保持器的输出从保持状态的值变到当前的输入值所需的时间 捕捉时间不影响采样精度，但对采样频率的提高有影响 产品手册上给出的捕捉时间通常是指采样保持器在输出为－FSR，而保持结束时输入已变至＋FSR情况下的捕捉时间 5.3.2 采样保持器的主要性能参数 保持电压的下降 当采样保持器处在保持状态时，由于电容的漏电流使保持电压值下降，下降的值随保持时间的增大而增加，通常用保持电压的下降率来表示 5.3.2 采样保持器的主要性能参数 馈送 在采样保持器处在保持状态时，保持电容上的电压应与输入电压变化无关。但实际上由于模拟开关存在寄生电容的缘故，输入电压的交流分量将通过寄生电容而引起输出电压的微小变化 5.3.2 采样保持器的主要性能参数 跟踪到保持的偏差 指跟踪最终值与建立保持时的保持值之间的偏差电压 这种偏差是电荷转换误差补偿后剩余的误差，与输入信号有关，是不可预估的误差 电荷转移偏差 这种偏差是在保持状态时，电荷通过寄生电容转移到保持电容器上引起的，可通过加大保持电容容量来克服 5.4 系统采集速率与采样保持器的关系 系统采集速率与A/D转换器的转换时间和位数之间有什么关系？ 采样保持器在系统采集与A/D转换之间有什么样的作用？ 如何通过A/D的技术指标和（或）采样保持器的性能指标来估算系统采集的最高速率？ A/D转换时间与系统采集速率的关系 A/D转换时间与系统采集速率的关系 若限定在转换时间之内，正弦信号电压的变化最大不超过1LSB，在Um＝FSR条件下，数据采集系统可采集的信号最高频率为 若限定为1/2LSB，则最高频率为 5.4 系统采集速率与采样保持器的关系 例5.1 已知A/D转换器的型号为AD0804，其转换时间tCONV＝100μs(时钟频率为640kHz)，位数n＝8，允许信号变化为1/2 LSB，计算系统可采集的最高信号频率 本题属于用AD转换时间和位数估算可采集的信号最高频率的类型 5.4 系统采集速率与采样保持器的关系 因为通常采样保持器的孔径时间远远小于A