42 采样保持器

42 采样保持器 ?4.2 采样保持器一、概述1、采样频率与输入信号的频带之间的关系2、采样保持器的功能二、采样保持器的工作原理1、采样保持器的两种结构及工作原理2、分析保持电容CH的大小三、采样保持器的主要性能参数四、集成采样保持器 LF398 一、概述1、采样频率与输入信号的频带之间的关系 无论A/D转换器的速度多快，A/D转换总需要时间。由此产生两个问题，第一，在A/D转换期间，输入的模拟信号发生变化，将会使A/D转换产生误差，而且信号变化的快慢将影响误差的大小。为了减小误差，需要保持采样信号不变。第二，A/D转换器输出的数字量只能表明采样时刻的信号值，通过采样使输入的连续信号变成离散信号。 一个n位的A,D转换器能表示的最大数字是2n，设它的满量程电压为VFS，则它的“量化单位”或最小有效位LSB所代表的电压UVFS,2n。要保证A,D转换的精度，就必须确保A,D转换过程中输入的模拟信号的变化量不得大于LSB/2。在数据采集系统中，如果模拟信号不经过采样,保持器而直接输入A,D转换器，那么，系统允许该模拟信号的变化率就得降低。 dV xtan dtV tan tc dVX 1 1 VFSV max tc LSB dt 2 2 2n 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。为了解决这个问题，需要在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“模拟信号存储器”。2、采样保持器的功能 在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，以保证在A/D转换期间，A/D转换器的输入不变化。 而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，以保证下次A/D转换时，输入A/D转换器的是新的采样时刻的输入信号电压。3、采样保持器的两个工作状态 采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态 的器件，具有两个稳定的工作状态。采样状态:在此期间它尽可能快的接收模拟输入 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信 号进行采样。二、采样保持器的工作原理1、采样保持器的两种结构及工作原理 串联型采样保持器电路原理图 反馈型采样保持器电路原理图2、分析保持电容CH 的大小 由于采样保持电路可以做成集成芯片而电容器是外接元件所以选择电容器的大小很重要。 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。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。综上所述:保持电容器电容量的大小它不是一个定值它可以在一定范围内取值。其电容量的大小确定可以根据实践经验通过实验来确定。 一般选100pF-1000pF之间。电容选聚四氟乙烯电容或聚苯乙烯电容，绝缘阻抗高，漏电流小。 三、采样保持器的主要性能参数1、捕获时间tAC(Acquisition Time) 捕获时间是从采样开始到采样保持器的输出电压达到精度指标(与被测电压的误差在0.010.1范围之内)所需的时间。2、 孔径时间tAP (Aperture Time) 从发出保持命令到保持开关真正断开所需的时间，保持电容只有在tAP时间后才开始起保持作用。3、 保持建立时间tS (Hold Mode Settling Time) 采样保持器进入保持状态后，需要经过保持建立时间tS，输出才能达到稳定。因此转换时间 早于tS会产生误差。4、 孔径抖动tAJ (Aperture Jitter ) 孔径抖动亦称孔径不确定度，表示tAP的变化范围。tAJ一般比tAP小1/2到1个数量级。5、 衰减率 Droop Rate 保持状态下，由于保持电容的漏电流和其他杂散电流，引起保持电压的衰减，衰减率反映了采样保持器的输出值在保持期间的变化。衰减率用下式计算。 U I C D t CHID包括采样保持中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的漏电流，电容内部的漏电流。 不用采样保持器:由式3知 1 1 fx 0.78 Hz 2 n 2 t c 2 12 2 25 10 6加采样,保持器后，这样就变成在?ttAP内，即在采样,保持器的孔径时间内讨论系统可采集模拟信号的最高频率。考虑对正弦信号采样，则在n位A,D转换器前加上采样,保持器后，系统可采集的信号最高频率为 : 1 1 1 fx fx 388.562 Hz 2 n 2 t AP 2 n 2 t AP 2 50 10 12 2 9使用采样,保持器后，系统能对频率不高于388.562Hz 正弦信号进行采样，使系统可采集的信号频率提高了许多倍，大大改善了系统的采样速率。结论:孔径时间tAP一般远远小于A,D转换器的转换时间tCONV，所以，加上采样,保持器后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。 四、集成采样保持器 集成采样保持器将采样电路、保持器制作在一个芯片上，保持电容外接，由用户选用。电容的大小与采样频率及要求的采样精度有关。集成采样保持器分三类:1、用于通用目的的芯片， 如AD583KAD582LF398;2、高速芯片，如THS-0025THC-0300等;3、高分辨率芯片，如SHA1144等。现以LF398为例作介绍。1、AD582 1脚:同相输入端，2 脚:空; 3脚和4脚接直流调零电位器; 5脚 :负电源 6脚和8脚之间接保持电容; 7脚 :空; 8脚:输出端; 9脚:是反相输入端; 10脚 :正电源; 11脚和12脚:逻辑控制端 13、14脚:空;AD582的特点:1)?9V?18V供电，典型工作电压是?15V，输入 信号可达电源电压可适用于12位A/D转换器。2)有较高的输入阻抗，约30M欧姆;3)有较短的信号捕捉时间，最短达6μs。该时间与所 选择的保持电容有关，电容值越大，捕捉时间越 长，它影响采样频率。4)具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干 扰能力。5)模拟开关由差动的逻辑输入端L 和L-控制，U(L - L- 在-6V,0.8V时，AD582处于采样模式，U(L - L- 在2V, VS之间时，处于保持模式。 低电平采样;高电平保持。6 AD582可与任何独立的运算放大器连接，以控制增 益或频率响应，以及提供反相信号等。