[资料] 采样/保持

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高级工程师

发表于 2018-1-8 14:23:45   256 查看 0 回复 显示全部楼层 倒序浏览
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  在对模拟信号进行模数变换时,从启动变换到变换结束后数字量输出,需要一定的时间,即 A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率较高时,由于孔径时间的存在,会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生,必须在A/D转换开始时将信号电平保持住,而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化,即使输入信号处于采样状态。能完成这种功能的器件叫采样/保持器。从上面的分析可知,采样/保持器在保持阶段相当于一个模拟信号存储器。
   在模拟信号输入通道中,是否需要加采样/保持器,取决于模拟信号的变化频率和 A/D 转换的孔径时间。对快速过程信号,在最大孔径误差超过允许值时,必须在 A/D 转换器前加采样/保持器,如对10Hz信号进行采样,对于12位分辨率、孔径误差小于1/2LSB时,A/D转换必须为2μs或更快,因此对这个频率或更高频率信号进行采集,就须加采样/保持器。但如果采集的是缓变信号,并有意识地想利用双积分型的 A/D转换器滤除高频干扰,此时可不加采样/保持器。总之,是否加采样/保持电路,完全取决于使用对象。当然,如果用户设计的是通用型数据采集系统,为满足不同信号的输入,建议在 A/D转换前加上采样/保持电路。
  1.采样/保持原理
   采样保持器的作用是:在采样期间,其输出能跟随输入的变化而变化;而在保持状态,能使其输出值保持不变。如图5.31所示,在t1 时刻前,处于采样状态,输出信号uo 与输入ui 保持同步变化,而在时间t1,此时处于保持状态,输出电压恒值保持在A2 不变;而在t2 时刻,保持结束,新一个采样时刻到来,uo 又随ui 同步变化,直至时刻t3 新的保持信号到来,S断开,uo 保持A3 的电位不变。
   因此,利用采样/保持器,在启动 A/D变换时,保持住输入信号,从而可避免 A/D转换孔径时间带来转换误差;在进行多路信号瞬态采集时,可利用多个采样保持器并联,在同一时刻发出一个保持信号,则能得到某一瞬时各路信号的瞬态值,然后在分时对保持信号进行转换,得到所需的值。
   图5.32为一最简单的采样保持电路,当开关S闭合时,Ui 通过限流电阻向电容充电,在电容值合理的情况下,Uo 随Ui的变化而变化;而当S断开时,由于电容C有一定的容量,此时输出Uo保持输入信号在S断开瞬时的电平值。
   由上述分析也可知,电容C 对采样保持的精度有很大影响,如果电容值过大,则其时间常数大,当信号变化频率高时,由于电容充放时间大,将会影响输出信号对输入信号的跟随特性,而且在采样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,一般在其对输入级和输出级均采用缓冲器,以减少信号源的输出阻抗,增加负载的输入阻抗。在电容的选择时,使其容量大小适宜,以保证其时间常数适中,并选用漏泄小的电容。
   采样保持电路可以用分离元件组成,也可直接选用集成采样/保持器,在选用时,要考虑下列因素:
   1)孔径时间。在采样保持器中,由于模拟开关有一定的动作滞后,从保持命令发出到模拟开关断开的时间叫孔径时间,它会导致 A/D采样时间被延迟。
   2)捕捉时间。采样/保持器的状态逻辑控制信号由保持电平转换成采样电平后,其输出电压由原保持值过渡到此时输入信号值所需的时间称为捕捉时间,它包括模拟开关的导通延迟时间和建立跟踪的稳定过程时间。显然,A/D转换的采样周期必须大于捕捉时间,才能保证采样阶段充分地采集到输入模拟信号。
   3)保持电压的变化。在保持期间,由于保持电容的漏电会使保持电压不断地衰减或上升,保持电压变化率为

   式中 I0——— 保持阶段流入或流出保持电容CH 的总泄漏电流。
           I0 包括缓冲放大器的输入电流、模拟开关截止时的漏电流和电容内部漏电流等。
   增大CH可减少保持电压的变化率,但会增加捕捉时间,因此能采取的办法只能是努力减小泄漏电流。采用高输入阻抗的运放作为缓冲放大器,选择优质电容如聚四氟乙烯电容作为保持电容,选用漏电流小的模拟开关等。
   4)输入输出直接耦合。在保持阶段,虽然开关断开,但由于极间寄生电容等的作用,输入信号的变化会引起输出信号的变化,在输入信号频率高时,耦合影响会很大。
   2.集成采样/保持器
   采样/保持器可以由分离元件组成,如图5.33所示,由开关、电容、限流电阻等组成,其中对于低速场合可以采用继电器作为开关以减小开关漏电流的影响;在高速场合也可用晶体管、场效应管来作为开关。然而,一般目前常采用性能优越的集成式采样/保持器。

   随着大规模集成电路技术的发展,目前已生产出多种集成采样/保持器,如可用于一般要求的 AD582,AD583,LF198系列等;用于高速场合的有 HTS-0025,HTS-0010,HTC-0300等;用于高分辨率场合的有SHA1144等,为了使用方便,有些采样保持器的内部还设有保持电容,如 AD389,AD585等。
   集成采样/保持器的特点是:
   1)采样速度快、精度高,一般在2μs~0.25μs即达到(±0.01~±0.003)% 精度。
   2)下降速率慢,如 AD585,AD348为0.5mV/ms,AD389为0.1mV/ms。
   正因为集成采样/保持器有许多优点,所以它得到了极为广泛的应用,下面以LF398为例,介绍集成采样/保持器的原理。
  图5.34为LF398原理图,从图可知,其内部有输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。


     控制电路中 A3 主要起到比较器的作用,其中7脚为参考电压,当输入控制逻辑电平高于参考端电压时,A3 输出一个低电平信号驱动开关 S闭合,此时输入信号经 A1 后跟随输出到A2,再由输出端跟随输出,同时向保持电容(接6端)充电;而当控制端逻辑电平低于参考电压时,A3 输出一个正电平信号使开关断开,以达到非采样时间内保持原来输入的目的。此时,A1,A2 是跟随器,其作用主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换,以提高采样/保持器的性能。
   与LF398结构相同的还有LF198,LF298等,它们都是由场效应管构成,具有采样速度高、保持电压下降慢以及精度高等特点。当作为单一放大器时,其直流增益精度为0.002%,采样时间小于6μs时精度可达0.01%;输入偏置电压的调整只需在偏置端(2脚)调整即可,并且在不降低偏置电流的情况下,带宽允许1MHz,其主要技术指标有:
   1)工作电压:±5~±18V。
   2)采样时间:≤10μs。
   3)可与 TTL,PMOS,CMOS兼容。
   4)当保持电容为0.01μF时,典型保持步长为0.5mV。
   5)低 输 入 漂 移,保 持 状 态 下 输 入 特 性不变。
   6)在采样或保持状态时高电源抑制。
   图5.35为典型应用图。在有些情况下,还可采取二级采样保持串联的方法,根据选用不同的保持电容,使前一级具有较高的采样速度而后一级保持电压下降速率慢,二级结合构成一个采样速度快而下降速度慢的高精度采样/保持电路,此时采样总时间为两个采样/保持电路时间之和。
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