采样保持器应用

采样保持器应用 第五章 采样,保持器 5.1 概述 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。在这个转换时间内，模 拟信号要基本保持不变。否则转换精度没有保证，特别当 输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这 种误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平 保持住，而在A,D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。 能完成这种功能的器件叫采样,保持器。采样,保持器在 保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。 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。它主要由模拟开关K、电容CH和缓冲放大器A组成，它的一般结构形式如图所示。采样,保持器的工作原理: 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K加到电容CH上，使得电容CH 端电压Uc 跟随模拟输入信号U1 变化而变化，这个时期称为跟踪或叫采样期。 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U1 值不变并等待A,D转换器转换，这个时期称为保持期。 在t2时刻，保持结束，新一个跟踪采样时刻到来，此时驱动信号又为高电平，模拟开关K重新闭合，电容CH端电压Uc又跟随模拟输入信号UI变化而变化，直到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，它具有两个稳定的工作状态: 1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。 2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。 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。 在数据采集系统中，采样,保持器主要起以下两种作用: 1“稳定”快速变化的输入信号，以利于模,数转换器把模拟信号转换成数字信号，减小采样误差。 2用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，这样可使模拟多路开关继续切换下一个待转换的信号。 电容CH对采样,保持的精度有很大的影响，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。而当处于保持状态时，如果电容的漏电流太大，负载的内阻太小，都会引起保持信号电平的变化。 为使采样,保持器有足够的精度，一般在其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。在选择电容时，容量大小要适宜，以保证其时间常数适中，并选用泄漏小的电容。5.3 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 采样,保持器可用通用的元件来组合，也可以使用集成式芯片，目前多数是使用集成采样,保持器芯片 。 采样,保持器按结构可分为串联型和反馈型 。1(串联型采样,保持器 串联型采样,保持器的结构原理。图中A1和A2分别是输人和输出缓冲放大器，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。K是模拟开关，它由控制信号电压UK控制其断开或闭合。CH是保持电容器。 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Al对CH的充电速度很快，CH的电压将跟踪U1的变化。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U1的最终值上。 串联型采样,保持器 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，影响其精度。另外，它的 跟踪速度也较低。 2(反馈型采样,保持器 反馈型采样,保持器的结构如图所示。其输出电压Uo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，即当K1闭合时，K2断开;K2闭合时，K1断开。当Kl闭合，K2断开时，两块运放A1和A2共同组成一个跟随器，采样,保持器工作于跟踪状态。此时，保持电容CH的端电压UC为 Uc?U1eos1-eos1 式中 eosl和eos2分别为运放A1，A2的失调电压。 当K1断开，K2闭合时，采样,保持器工作于保持状态。此时，保持电容CH的端电压Uc保持在Kl断开瞬间U1的值上，使UO也保持在这个值上，即 UO?U1eos2?U1eos1 5—2 在保持状态，影响输出电压精度的因素是保持状 态前瞬间A1运放的失调电压。所以，这种类型的 采样,保持器的精度要高于串联型。 反馈型采样,保持器的跟踪速度也较快，因为它 是全反馈，直接把输出UO 与输入Ui 比较，如果 UO?Ui，则其差被A1放大，迅速对CH充电。5.3.2 采样,保持器的主要性能参数 1. 孔径时间tAP 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。 在采样,保持器中，由于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，而会跟着输入变化一段时间。 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误差，该误差称为孔径误差。如果保持指令与A,D转换命令同时发出，则因有孔径时间的存在，所转换的值将不是保持值，而是在tAP时间内一个变化着的信号，这将影响转换精度。时间tST 在tAP 后的输出还有一段波动，经过一定时间tST 才保持稳定。为了量化的准确，最好在发出保持 指令后延迟一段时间，等采样,保持器的输出稳 定后再启动A,D转换。 2(孔径不定Tap 孔径不定tAP是指孔径时间的变化范围。 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。但若孔径时间在变化，则对精度就 会有影响。如果改变保持指令发出的时间，可将 孔径时间消除。因此，仅需考虑tAP 对精度及采 样频率的影响。 3(捕捉时间tAC 捕捉时间是指当采样,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。它包括逻辑输入开关的动作时间、保持电容的充电时间、放大器的设定时间等.