5.1 概述

1. 第5章 采样／保持器 5.2 采样/保持器的工作原理 5.3 类型和主要性能参数 5.1 概述 5.4 采集速率与采样/保持器的关系 5.5 采样/保持器集成芯片 5.6 采样/保持器使用中的注意问题

2. 第5章 采样／保持器 5.1 概述 问题： 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，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A／D转换时 保持住输入信号电平，在A／D 转换结束后跟踪输入信号的变化。 这种功能的器件就是采样／保持器。

3. 第5章 采样／保持器 A CH 5.2 采样／保持器的工作原理 采样／保持器的一般结构形式如图5.1所示。 K Ui 模拟信号 UO 驱动信号 模拟地 图5.1 采样／保持器的一般结构形式

4. 5.2采样／保持器的工作原理 模拟开关K 电容CH 组成 缓冲放大器A

5. 5.2采样／保持器的工作原理 控 制 信 号 工作原理如下： 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。 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 化； 保持 t A 模 拟 输 入 t 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A／D转换器转 换。 A t3时刻，驱动信号为低 电平时，模拟开关K断开，......。 A1 采 样 输 出 A2 A3 t t1 t2 t3 t4 图5.2 采样／保持器工作原理

6. 5.2采样／保持器的工作原理 从以上讨论可知： 采样／保持器是一种用逻辑电平控 制其工作状态的器件。

7. 5.2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。

8. 5.2采样／保持器的工作原理 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。

9. 5.2采样／保持器的工作原理 通过以上分析，可以得出： 电容ＣＨ对采样／保持的精度有很大的影响。 １.电容值过大，其时间常数大，当模拟信号的频率比较高时，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，并且在跟踪的瞬间，电容两端的电压会与输入信号电压有一定的误差。 ２.电容的漏电流过大，则导致处于保持状态时，电容两端的电压（保持信号电压）将会变化。 ３.负载内阻太小，也会引起保持信号电压的变化。

10. 5.2采样／保持器的工作原理 解决办法： 根据上述出现的问题，所提出的解决办法是： １.选择合适的电容，使其容量大小适当且漏电流小。 ２.输入／输出端采用缓冲器，以减少信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗。

11. 第5章 采样／保持器 串联型 反馈型 5.3 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：

12. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 - + - + A2 A1 CH 串联型 串联型采样／保持器的结构如图5.3 UK UO Ui K 模拟地 图5.3 串联型采样／保持器的结构 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。 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。

13. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 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。 反馈型 反馈型采样／保持器的结构如图5.4 所示。

14. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 R - + - + A1 A2 - + - + eOS1 eOS2 CH K2 K1 UC UO Ui 模拟地 UK 图5.4 反馈型采样／保持器的结构 作用： 此时，保持电容CH的端电压为 其输出电压反馈到输入端，使和共同组成一个跟随器。 此时， CH的端电压保持在K1断开瞬间的Ui值上，使 当K1闭合， K2断开时，A1和A2共同组 成一个跟随器，采样／保持器工作于 跟踪状态。 当K1断开， K2闭合时，采样／保持器 工作于保持状态。 开关和有互补的关系： K1闭合，K2断开 式中 eOS1 和eOS2 分别为运放A1和A2的失调电压。 K1断开， K2闭合

15. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 优点： ① 采样/保持精度高，原因是只有eOS1影 响精度。 ② 跟踪速度快 缺点： 结构复杂。

16. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 2. 采样／保持器的主要性能参数 孔径时间tAP 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。 如图5.5所示。

17. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 模拟信号 希望的输出 孔径不定 捕捉时间 实际输出 由图5.5可知， 在tAP后的输出还 有一段波动，经 过一定时间tST后 才保持稳定。 孔径误差 U △tAP tST tAC 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。 tAP 跟踪 保持 保持 t 保持指令发出时刻 图5.5 采样／保持全过程

18. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 由于孔径时间的存在，而产生 采样／保持器实际保持的 输出值与希望输出值之差。 孔径误差— 孔径不定△tAP 孔径不定△tAP — 孔径时间的变化范围。 孔径时间使采样时刻延迟。

19. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 如果延迟时间不变，则对总的采样结 果的精确性不会有太大影响。 但若孔径时间在变化，则对精度就会 有影响。

20. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 捕捉时间tAC 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— 捕捉时间不影响采样精度，但对采样 频率的提高有影响。

21. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 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： 式中I —— 保持电容CH的漏电流。

22. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 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 馈送— 指输入电压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。

23. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 CS - + A2 CH UO Ui K 图5.6 馈送的通路 交流分量引起的误差。 保持电容器CH↑，馈送↓， 但不利于采样频率的提高。

24. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 跟踪到保持的偏差 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。

25. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 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。 电荷转移偏差— 保持电容器CH↑，电荷转移偏差↓， 采样／保持器的响应时间↑。 此误差由直流分量引起。

26. 5.3采样／保持器的类型和主要性能参数 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。

27. 第5章 采样／保持器 5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系 首先讨论不用采样／保持器，而直接 用A／D转换器对模拟信号进行转换的情况。 设模拟信号如图5.8所示。

28. 5.4系统采集速率与采样／保持器的关系 Um Um sinωt 2 2 Ui= U △U t △t 图5.8 正弦信号的最大变化率 对正弦信号采样，在△t内，模拟信号 电压的最大变化率发生在正弦信号过零时，

29. 5.4系统采集速率与采样／保持器的关系 则 由于在正弦信号过零时，ωt = ±nπ， |cos(±nπ)| =1，所以

30. 5.4系统采集速率与采样／保持器的关系 而在A／D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

31. 5.4系统采集速率与采样／保持器的关系 如果在转换时间tCONV内，正弦信号电 压的最大变化不超过1LSB所代表的电压， 则在Um= FSR条件下，数据采集系统可采 集的最高信号频率为

32. 5.4系统采集速率与采样／保持器的关系 如果允许正弦信号电压变化为 ， 则系统可采集的最高信号频率为 由（5-4）、（5-5）式可看出，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。

33. 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ADC0804， 其转换时间tCONV=100s（时钟频率为 640kHz），位数n = 8，允许信号变化 为 ，计算系统可采集的最高信 号频率。 解： 由式（5-5）知

34. 5.4系统采集速率与采样／保持器的关系 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。 仍考虑对正弦信号采样，则系统可采 集的信号最高频率为

35. 5.4系统采集速率与采样／保持器的关系 结论： 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。

36. 5.4系统采集速率与采样／保持器的关系 【例5.2】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 =100s （时钟频率为640kHz），计算系统可 采集的最高信号频率。 解： 由式（5-7）知

37. 5.4系统采集速率与采样／保持器的关系 应该指出的是： 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 系统处理的最高输入信号频率应为

38. 第5章 采样／保持器 5.5 采样／保持器集成芯片 常用的集成采样／保持器有多种，因 时间的关系，下面只介绍其中的两种。 1. AD582 AD582是通用型采样／保持器。 其管脚及结构示意如图5.9所示。

39. 5.5采样／保持器集成芯片 高性能运放 低漏电阻的模拟开关 组成 结型场效应管集成的放大器

40. 5.5采样／保持器集成芯片 AD 582的特性如下： 有较短的信号捕捉时间，最短达6s。 有较高的采样／保持电流比，可达107。 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。

41. 5.5采样／保持器集成芯片 由图5.10可知，AD582是反馈型采样／保持 器，保持电容接在运放的输出端（脚8）与输入 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

42. 5.5采样／保持器集成芯片 所以AD582外接较小的电容可获得 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tAC≤6s。 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。

43. 5.5采样／保持器集成芯片 图5.10是增益为1，输出不反相的连接线路。 图5.11是输出不反相电路，电路增益可由外 接电阻来选择，增益 2. LF198 LF198也是反馈型采样／保持器，请大家自习。

44. 第5章 采样／保持器 5.6 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 捕捉时间、转换时间与采样周期的关系 在带有采样／保持器的数据采集系统中， 采样 每次数据采集过程 A／D转换

45. 5.6采样／保持器使用中应注意的问题 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。即 选用采样／保持器应注意的问题 ① 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：

46. 5.6采样／保持器使用中应注意的问题 8位A／D转换器的精度等于 与之相配的采样／保持器的误差带可取为 0.2%(±0.1%) AD582在CH=100pF时，tAC =6s。 12位的A／D转换器，精度等于 2-12×100% = 0.024% 则应取采样／保持器的误差带为 0.01%(±0.005%)。 在CH = 1000pF时， tAC = 25s。

47. 5.6采样／保持器使用中应注意的问题 ② 保持电压下降率对A／D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，应使保持 电压下降率为

48. 5.6采样／保持器使用中应注意的问题 当根据LSB定出 后，可按式 （5-3）校核CH的值。 ③ 孔径时间与精度、信号的最大变化率的关系 设输入信号的最大变化率为 ，允 许的孔径误差 ，则孔径时间应满足下式：

49. 5.6采样／保持器使用中应注意的问题 或

50. 5.6采样／保持器使用中应注意的问题 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。 原因： 目的： 避免数字电路的突变电流对模拟电 路的影响。