智能仪器-智能 第四章4.5

在采样模式时，如果输入与输出有差 异，输出经R反馈到A1，误差经A1反相放 大后使电容器充（放）电，直到误差趋近 零，由于具有误差纠正能力，放大器A2的 增益就不必很精确，只要粗略为+1就可以 了。 在采样模式时，输出跟踪输入。A1的 输出等于A2的输入，上图中的两个二极管 均不工作 。保持模式时，S断开，两个二 极管使A1的输出嵌位于其输入，A1处于闭 环状态，得以稳定的工作。在保持模式时 电阻R使A2的输出与A1的输入隔离开。
S/H
S/H电路
S/H电路非常快速的对输入信号采样，然后进 入保持模式，开关S仅在很短的时间内闭合。 一般由脉冲变压器予以驱动，开关闭合时间小 于几十纳秒。
跟踪/保持电路（T/H）的开关则 跟踪/保持（T/H） 有较长时间接通，在接通期间输 出跟踪输入。只是在控制指令下 电路才进入保持模式，保持住指 令对应的瞬时输入电压不变
双向8通道多路开关CD4051
• 由电平转换、译码/驱动和开关电路三 部分组成。 • 电平转换可实现CMOS到TTL逻辑电平 的转换。加到通道选择输入端的控制信 号的电平幅度可为3V~20V。
CD4051真值表
CD4051内部结构图
CD4051多路开关组成的16路模拟开关原理图
•半导体模拟开关的导通电阻一般在100欧姆 左右，在要求开关导通电阻小的场合下应采 用继电器。
• 常用半导体多路开关：
CD4051（双向8路）、CD4066（四路双向）、 CD7501（单向8路）、CD4052（单向、差动、4 路）
模拟多路开关的主要性能指标
漏电流：指通过断开的开关的电流。 动态响应：与动态响应有关的参数有两个，一个是开关
的切换时间，另一个是开闭合后系统的带宽。
源负载效应误差：指信号源电阻RS和开关导通电阻RON
与多路开关后接器件的等效电阻RL分压而引起的误差。它 使输出信号减小。
串扰：指断开通道的信号电压偶合到接收通道而引起的干
扰。
实现多路切 换的方法
继电式切换开关， 包括干簧继电器 和湿簧继电器。 半导体式切换开 关，常称为多路 模拟开关。
主要特点：导通电阻小 （1Ω以下）断开电阻大， 控制信号与测量信号之 间不存在通路，但其属 于机械式开关，开关动 作速度低，寿命短，对 于干簧式一般在105-106 次之间，湿簧式可达108 次。
电容量不能太小。因此，时间常数 τ也就不会很小。时间常 CH。如果CH仍取2000pF，则时间常数τ仅为40ns 。比前一种电路4us小得多。 不过集成运放可以提供的充电电流是有限的，如果 A2,A3两者都可最大提供 数中的另一项 R1也不能过小。因为在保持模式时， R1与R2起 20mA，则电容器一开始以恒定电流20mA充电，输出电压线性上升（负向）， 着隔离模拟输入与 S/H输出的作用。从隔离效果看，R1,R2越 然后A点电位有足够下降，A2,A3脱离高压摆率的限制，充电电流随输出电压 大越好。正因如此，这种电路的速度不会很快。 负向增大而减小，充电到终值的0.01%以内大约要1.2us，比前一种电路的 36us快很多。同时 R1,R2已不再是决定时间常数的因素了，为了有良好的隔 为了提高电路的工作速度，可在反馈电路内增加一个电 离，它们的数值可以取得大些。 压增益为 1的放大器，如下图所示： R2 5K Vi +1 A1 +1 A 5K A2 2000pF CH Vo A3
4.5采样保持电路及多路模拟开关
一、引言 采用A/D转换器对模拟信号进行转换时，总需要一定的 时间来完成采样、量化及相应的编码工作。 A/D转换器的转 换时间TC取决于器件、采用的方法、转换位数等多个因素。 如果在转换时间TC内，输入模拟信号仍在变化，此时进行量 化显然会产生一定的误差。 下面我们以最常用的正弦信号为例估计这个误差。如对 正弦波信号 V ＝ VFSsin2πft采样，在转换时间 TC 内，信号电 压最大变化发生在正弦信号过零时，如图所示，此时信号变 化速率为 V
Vi
+1 A1
R1
2K
S
- CH + A2
Vo
控制逻辑
电路分析：
开关S接通，电路进入采集模式，电容器CH被充电，电容 器两端电压即为输出电压Vo。由于积分器反相输入端是虚地， 流过R1的电流IR1是恒定的，IR1=Vi/R1。对电容器CH的充电电流 ICH是IR1的一部分，随着输出电压Vo增长，充电电流将减小，所 以Vo的增长将是非线性的，可列方程：
继电器工作原理与符号
单片机控制继电器 接口电路图
讨论：
• 采样保持的孔径时间及孔径不定性我们已 作了介绍，采样过程也有类似的问题吗？ • 快速采样与长时间保持是一对矛盾，实际 工作中应如何平衡？
CH
这是另一种常用的S/H电路，输出与输入同相， 增益为1 。保持电容CH一般是外接的，以增加使用 的灵活性。为了避免外接电容接地而损坏A1,S/H内 部加接了300Ω电阻，这个电阻还可防止A1因纯容性 负载易引起振荡。从电路可以看出这是从输出到输 入的闭环负反馈，因此运放A1,既是输入缓冲器，又 是误差纠正放大器。
VFS
V
∆V t 孔径不定性 孔径时间
（一）反相闭环积分型采样/保持电路 下图是一种结构简单，精确的采/保电路。输入带有 缓冲器,由于R1=R2,电路总增益为-1。输出运放接成积分器 形式，所以这种电路称为反相闭环积分型电路。这种电路 比较精确，但采集样品时间较长，因而不是快速的。
R2 2K
2000pF
主要应用于共 享测量放大器。 小信号测量场 合，在制种情 况下，对开关 导通电阻及温 漂的要求很高。
主要特点：导通电阻较 大（可达几KΩ），断开 电阻在108 Ω左右，控制 信号与测量信号之间存 在耦合，开关的动作快， 动作延时通常是微秒级 的，寿命长。
主要用于快速 测量系统中各 通道各自独立 的测量放大器， 信号传至切换 开关已有较大 的幅度。
（a.）S/H电路
（b.）跟踪/保持电路
三、几种S/H电路的性能
S/H电路应用时的两个问题 1. 速度问题： 输入Vi
s Vo S/H控制
为了尽可能快地使保持电容器CH上的电压跟踪输入 信号，电容器的充电回路应该有尽可能小的时间常数。 然而模拟信号源的内阻未必是很小的。因此有必要在信 号源与开关S之间接入输入缓冲放大器。输入缓冲器应 该有高的输入阻抗和低的输出阻抗，并且有高的压摆率 以适应输入阶跃变化的需要，还应该有大的电流输出能 力用以对电容器充电。
V 0t Vi 1 e t /


上面的计算说明，在输入加以阶跃符号Vi后，要经过 约36us输出Vo才能达到（1-0.01%）Vi。还没有包括输入 缓冲的建立时间和运放的响应速度。 对输入缓冲级的输入阻抗要求，可以从对S/H的精度 要求估算得到，例如ADC为12位，即对S/H的传输精度要 求为0.01%，如果信号源内阻为1kΩ则分压在信号源内阻 上的降落比例应小于0.01%。即S/H输入阻抗应大于108Ω。 当然，这种误差可归结为增益误差，可在系统的其他电 路予以补偿。 对输出运放的输入阻抗要求更高，因为在保持模式 时，电容器通过输出运放的输入阻抗放电，使电容器电 压即输出电压降落，直接影响到精度。所以输出运放都 是以场效应器件作为输入级，输入阻抗可高达1010Ω。
现在，对电容器的充电电流由A2提供,经A3输出阻抗构成电路。A2,A3的输出 电容器电压降低与电容量大小有关。为避免降落过大， 阻抗约为 10Ω，充电时间常数是由A2,A3输出阻抗之和（约20Ω）乘以电容量
R1
S
+ -
控制逻辑
（二）非反相闭环单位增益采/保电路 R A1 + S +1 Vo
Vi
A2
ICH IR1
ICH
dv 0 CH dt
V 0 Vi V 0 R 2 R1 R 2
V0 R2
ICH IR1
当R1=R2时得：
dv0 V0 Vi dt R1CH R1CH
式中τ=R1CH ，是充电回路的时 间常数。当R1=2kΩ ，CH=2000 pF时， τ=R1CH =4us。如果要 求输出电压与输入电压之差的百 分比，即精度为0.01%—大约相 当于12位数据转换的0.5LSB，则 t=9τ=36us。
s
2. 精度问题：
输入Vi S/H控制
Vo
在保持模式时，要求电容器上的电压保持不变， 这除了要求电容器的漏电流应该极小外，还要求与输 出相联接的电路，例如ADC有极高的输入阻抗，以免 电容器通过这些电路放电。但是这些电路的输入电阻 未必很大。例如ADC的输入电阻一般约为2.5-10kΩ 。 因此有必要在电容器与后续电路之间接入输出缓冲器。 输出缓冲器应该有极高的输入阻抗（往往高达 1010Ω）、 高的压摆率以及低的输出阻抗。 上面讨论的应该增加的电路和对元件的要求，其 核心问题是两个，即S/H电路的速度和精度。
VFS
∆V
t
dV dt
2fVFS
t 0
而在转换时间TC内最大可能出现的误差可用下 dV 式进行估算 V＝TC
dt
由此可得出
V ＝2fTC VFS
t 0
式中，f为输入的正弦信号频率。 如果要求误差△V小于量化电平Q，Q＝VFS/2N 最大正弦信号频率可用下式计算 1 f max N 1 2 Tc
3.采样/保持电路的技术指标
• 孔径时间：指发出保持指令到开关真正打开所需要的时间。 输入信 号频率愈低，孔径误差愈小。 • 捕捉时间：指从开始采样至采样保持器输出达到输入信号的值所需要 的时间。与保持电容、输入缓冲器的压摆率有关。采样时间必须大于 捕捉时间。一般采样保持电路达到输入0.01%的捕捉时间在300ns15us。 • 保持电压的下降：一般在0.01uV-1uV/ms • 馈通（送）：指在保持期间由于输入信号电压变化而引起输出电压变 化的程度，其值一般在0.01%-0.001%。 • 电压增益精度：指当环境和电源变化时，电压增益可以保持的精度。