5_1 采样/保持器.ppt
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1、第五章第五章 采样保持器采样保持器(SH电路)电路)5.1概述概述2023/1/231概概 述述采样保持器采样保持器是指在输入逻辑电平控制是指在输入逻辑电平控制下处于下处于“采样采样”或或“保持保持”两种工作状两种工作状态的电路。态的电路。在在“采样采样”状态下电路的状态下电路的输出跟踪输入输出跟踪输入模拟信号。模拟信号。转为转为“保持保持”状态后,电路的输出状态后,电路的输出保持保持着前一次着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟采样结束时刻的瞬时输入模拟信号信号,直至进入下一次采样状态为止。,直至进入下一次采样状态为止。2023/1/232微机系统的微机系统的A/DA/D、D/AD/A通道通道模
2、拟通道的结构形式模拟通道的结构形式1)A/D通道的结构形式通道的结构形式单通道单通道不带不带S/HS/H直流或低频模拟信号直流或低频模拟信号带带S/HS/H高频变化的模拟信号高频变化的模拟信号多通道多通道每个通道有自己的每个通道有自己的S/HS/H和和ADCADC并行多通道并行多通道各通道有自己的各通道有自己的S/H,S/H,共享共享ADCADC各通道共享各通道共享S/HS/H和和ADCADC2023/1/233CPUS/H多 路 开 关MUXA1A/DI/OA2An共享共享S/HS/H和和A/DA/D的多通道的多通道CPUS/H多 路 开 关MUXA1S/HA/DI/OA2S/HAn共享共享
3、A/DA/D的多通道的多通道CPUS/HA/DI/OA1S/HA/DI/OA2S/HA/DI/OAn并行多通道并行多通道A/DA/D2023/1/234最基本的采样保持器最基本的采样保持器 2023/1/235工作原理工作原理 当当Vc为采样电平时为采样电平时,开关,开关S导通,导通,模拟信号模拟信号Vi通过通过S向向CH充电,输出充电,输出电压电压Vo,跟踪输入模拟信号的变化。跟踪输入模拟信号的变化。当当VC为保持电平时为保持电平时,开关,开关S断开,断开,输出电压输出电压Vo保持在模拟开关断开瞬保持在模拟开关断开瞬间的输入信号值。间的输入信号值。2023/1/236采样保持器的主要性能参数
4、采样保持器的主要性能参数2023/1/2371.捕捉时间捕捉时间tAC(Acquisition time)2023/1/238捕捉时间捕捉时间tAC(Acquisition time)显然显然采样时间必须大于捕捉时间采样时间必须大于捕捉时间,才能,才能保持在采样阶段充分地采集到所需的输保持在采样阶段充分地采集到所需的输入模拟信号。入模拟信号。捕捉时间主要捕捉时间主要由电路充电时间常数由电路充电时间常数和和所所要求的逼近精度所决定要求的逼近精度所决定,还与开关的,还与开关的导导通时间、缓冲放大器的压摆率通时间、缓冲放大器的压摆率和和稳定时稳定时间间有关。有关。2023/1/239捕捉时间捕捉时间
5、tAC(Acquisition time)产品数据表格上给出的产品数据表格上给出的t tACAC,都是,都是相对于相对于某一保持电容和逼近误差而言某一保持电容和逼近误差而言,同时还,同时还假定电路的初始输出为零,输入信号是假定电路的初始输出为零,输入信号是一定大小(通常为一定大小(通常为 10V10V或或20V20V的阶跃电的阶跃电压)。压)。2023/1/2310捕捉时间捕捉时间tAC(Acquisition time)如如 AD582的的tAC在在CH=100pF,10 V阶跃输阶跃输入,入,0.l的逼近误差时为的逼近误差时为 6s,而,而CH=1000pF,0.01的逼近误差时为的逼近误
6、差时为 25s。通常通常 用用=RCH来估算捕捉时间来估算捕捉时间tAC。式中。式中 R为充电回路中的电阻值,为充电回路中的电阻值,CH为保持电容值,为保持电容值,若要求逼近精度为若要求逼近精度为0.l,则电容至少应充,则电容至少应充电到稳态值的电到稳态值的99.9%,tAC=7;逼近精度为;逼近精度为 0.05,则,则tAC=7.6。2023/1/23112.孔径时间孔径时间 tAP(Aperture time)2023/1/23122.孔径时间孔径时间 tAP(Aperture time)由于模拟开关有一定的动作滞后,由于模拟开关有一定的动作滞后,从发出保持指令开始到模拟开关完从发出保持指
7、令开始到模拟开关完全断开,电路进入保持状态,输出全断开,电路进入保持状态,输出停止跟踪输入停止跟踪输入所经历的这段时间称所经历的这段时间称孔径时间孔径时间tAP。由于孔径时间的存在,采样时间被由于孔径时间的存在,采样时间被额外地延迟了。额外地延迟了。2023/1/2313孔径时间孔径时间 tAP(Aperture time)最大孔径误差最大孔径误差等于等于tAP时间内输入信号的时间内输入信号的最大时间变化率与最大时间变化率与tAP的乘积,即:的乘积,即:若输入信号为若输入信号为Vi=Vmsint,其最大变化,其最大变化率为:率为:2023/1/2314孔径时间孔径时间 tAP(Aperture
8、 time)在数据采集系统中,要求最大孔径误差在数据采集系统中,要求最大孔径误差不超过不超过AD转换器输出数字量的转换器输出数字量的最低有最低有效位(效位(LSB)所代表电压值的一半)所代表电压值的一半,即,即Vomax1/2VLSB。第六章将说明对一个。第六章将说明对一个具有具有n位二进制输出的位二进制输出的A/D转换器转换器,1VLSB=。这里这里VFS是是A/D转换器额定的满度输入电转换器额定的满度输入电压压。取。取VFS=Vm,则孔径误差的,则孔径误差的相对值相对值应应满足下式:满足下式:2023/1/2315孔径时间孔径时间 tAP(Aperture time)由此可得由此可得202
9、3/1/2316孔径时间孔径时间 tAP(Aperture time)采样保持器采样保持器如果具有恒定的孔径时间,如果具有恒定的孔径时间,可采取措施消除其影响可采取措施消除其影响,如把保持指令,如把保持指令提前提前tAP时间发出,则电路的实际输出值时间发出,则电路的实际输出值就是预定时刻输入信号的瞬时值。就是预定时刻输入信号的瞬时值。孔径抖动孔径抖动:指多次采样中孔径时间的最指多次采样中孔径时间的最大变化量大变化量,其值等于最大孔径时间与最,其值等于最大孔径时间与最小孔径时间之差。小孔径时间之差。孔径抖动的典型数值孔径抖动的典型数值约比孔径时间小一个数量级左右约比孔径时间小一个数量级左右。20
10、23/1/23173.保持电压变化率保持电压变化率在保持阶段,开关在保持阶段,开关S断开,保持电容断开,保持电容CH上所充的电荷通过模拟开关的断开电阻上所充的电荷通过模拟开关的断开电阻Roff1、保持电容泄漏电阻、保持电容泄漏电阻Roff2和负载电和负载电阻阻RL(即输出运放的输入电阻)逐渐泄(即输出运放的输入电阻)逐渐泄放:放:式中式中ID是保持阶段流过保持电容是保持阶段流过保持电容CH的总的总泄漏电流泄漏电流 2023/1/2318保持电压变化率保持电压变化率保持电压的变化率保持电压的变化率常用的单位常用的单位有有Vs、mVs和和 mVs等。等。增大增大CH值可减小保持电压的变化率,但值可
11、减小保持电压的变化率,但CH的增大导致捕捉时间的加长。的增大导致捕捉时间的加长。选用高选用高质量的保持电容质量的保持电容,使,使CH本身的介质漏电本身的介质漏电和介质吸附效应引起的电荷变化减小。和介质吸附效应引起的电荷变化减小。选用漏电流小的模拟开关,以及采用高选用漏电流小的模拟开关,以及采用高输入阻抗的输出运放,可输入阻抗的输出运放,可减小总的泄漏减小总的泄漏电流电流ID,以达到减小保持电压变化率的,以达到减小保持电压变化率的目的,从而提高输出信号的质量。目的,从而提高输出信号的质量。2023/1/23192023/1/23204.馈送(馈送(Feed through)在保持阶段在保持阶段,
12、虽然模拟开关处于断开状态,虽然模拟开关处于断开状态,由于开关源、漏极间的极间电容和其他途径由于开关源、漏极间的极间电容和其他途径的耦合作用,使的耦合作用,使输入信号的变化耦合到输出输入信号的变化耦合到输出端称端称馈送馈送;这时采样保持电路的输出电压(捕捉到的这时采样保持电路的输出电压(捕捉到的输入电压的瞬时值)上叠加了馈送所产生的输入电压的瞬时值)上叠加了馈送所产生的误差电压,误差电压,相当于纹波干扰相当于纹波干扰。输入信号变化。输入信号变化快的区域,馈送影响也大。快的区域,馈送影响也大。馈送误差常用输入电压的百分数或分贝值来馈送误差常用输入电压的百分数或分贝值来表示,它主要表示,它主要取决于
13、开关的极间电容和保持取决于开关的极间电容和保持电容的比值电容的比值。2023/1/23214.馈送(馈送(Feed through)2023/1/23222023/1/23232023/1/23245.2 采样保持器的基本结构采样保持器的基本结构及工作原理及工作原理采样保持器一般由三部分组成:采样保持器一般由三部分组成:输入、输出缓冲放大器输入、输出缓冲放大器,采样保采样保持开关及其控制逻辑电路持开关及其控制逻辑电路,保持电保持电容(即存贮元件)容(即存贮元件)。采样保持器可用采样保持器可用通用元器件组成通用元器件组成,也可也可直接用集成采样保持器直接用集成采样保持器,但,但保持电容一般均需外
14、接保持电容一般均需外接。2023/1/2325一、串联型采样保持器一、串联型采样保持器2023/1/2326串联型采样保持器串联型采样保持器q串联型采样保持器,其输出电压的串联型采样保持器,其输出电压的失调误差失调误差是两块运放失调误差的代数和是两块运放失调误差的代数和,两块运放的,两块运放的共模抑制比有限所引起的共模抑制比有限所引起的共模误差共模误差,也会反,也会反应在输出端,因此这种应在输出端,因此这种电路的精度不够高。电路的精度不够高。q通常选用通常选用输入阻抗高输入阻抗高(场效应管输入级或超(场效应管输入级或超管输入级)、管输入级)、失调参数小失调参数小、共模抑制比高的共模抑制比高的运
15、放作为缓冲放大器运放作为缓冲放大器。若被采样的信号变化。若被采样的信号变化速率较高,则应选用高速运放。速率较高,则应选用高速运放。2023/1/2327二、反馈型采样保持器二、反馈型采样保持器反馈型采样保持器反馈型采样保持器是应用较普是应用较普遍的采样保持电路。其结构特遍的采样保持电路。其结构特点是将串联型采样保持器的输点是将串联型采样保持器的输出端出端通过电阻通过电阻反馈到输入端反馈到输入端,将,将两块运算放大器均包括在反馈回两块运算放大器均包括在反馈回路中。其电路如下图所示。路中。其电路如下图所示。2023/1/2328反馈型采样保持器反馈型采样保持器2023/1/2329反馈型采样保持器
16、反馈型采样保持器采样:采样:开关开关S1导通,导通,S2断开,运放断开,运放A1、A2构成构成跟随器。跟随器。Vi很快对很快对CH充电,使充电,使VCH=Vi,且且VCH在在A2的输出端输出。从而实现输出跟踪输的输出端输出。从而实现输出跟踪输入的变化。入的变化。2023/1/2330反馈型采样保持器反馈型采样保持器保持保持:开关:开关S1断开,断开,S2导通,保持电容导通,保持电容CH两端两端的电压的电压VCH保持在开关保持在开关S1断开瞬时的断开瞬时的Vi值,输出值,输出电压电压Vo即保持在开关即保持在开关S1断开瞬时的断开瞬时的Vi值。值。2023/1/2331反馈型采样保持器工作原理反馈
17、型采样保持器工作原理 开关开关S2的作用的作用是避免保持阶段由于输入是避免保持阶段由于输入电压的变化引起运放电压的变化引起运放A1饱和饱和;电阻电阻r,用来抑制电路可能产生的振荡,用来抑制电路可能产生的振荡,并使运放并使运放A1 驱动较大的驱动较大的CH时有平坦的时有平坦的频率特性,但频率特性,但r 的存在限制了的存在限制了CH的充电的充电速度,增大了捕捉时间速度,增大了捕捉时间tAC,所以所以r取值取值一般较小,为几十欧姆。(高速采样一般较小,为几十欧姆。(高速采样保持器中保持器中r=0。)2023/1/2332反馈型采样保持器工作原理反馈型采样保持器工作原理 保持电容保持电容CH的选择,应
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- 5_1 采样保持器 _1 采样 保持
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