采样保持电路ppt课件
采样保持电路
一、采样保持电路结构的选择常见的采样保持结构有以下两种：图1、电荷传输型采样保持电路图2、电容翻转型采样保持电路图3、图1，图2所用的时钟信号工作原理：一、电荷传输型采样保持电路首先Φ1、Φ1’为高电平，采样电容CS 对输入信号进行采样，然后Φ1’比Φ1提前0.4ns 进入下降沿，此时x 点为高阻状态，故当Φ1变为低电平，即ks1开关关断时，x 点不再导通，即抑制了开关ks1的电荷注入效应。
当Φ2为高电平的时候，Φ1、Φ1’此时为低电平，电路进入保持状体。
CS 上的差分电荷就传到了Cf 上，此时差分输出电压即为差分输入电压（CS=Cf ）。
二、电容翻转型采样保持电路首先Φ1、Φ1’为高电平，采样电容CS 对输入信号进行采样，然后Φ1’比Φ1提前0.4ns 进入下降沿，此时x 点为高阻状态，故当Φ1变为低电平，即ks1开关关断时，x 点不再导通，即抑制了开关ks1的电荷注入效应。
当Φ2为高定平时，采样电容C 的左端接放大器的输出端，因为输出共模电平等于输入共模电平，所以采样保持电路的输出等于采样保持电路的输入。
对两种结构进行对比。
1、 所需放大器的带宽。
为简化分析我们将其简化为单极点系统，则放大器的传输函数为：()1A A S sω=+ (1)式中：A 表示低频增益，0ω为3dB 带宽。
将放大器接成闭环后，其闭环传输函数为：00/(1/)/(1)()1/(1)11/A s A fA Ac S Af s fA s ωωω++==++++ （2） 其中f 为反馈系数。
则该闭环系统的时间常数为： τ=01/fA ω= 1/n f ω (3) 其中n ω为运放的单位增益带宽对于单位阶跃输入信号，闭环系统输出阶跃响应为： Vout （t ）= /1(1)()t e u t f-τ- （4）同样我们要求输出的误差必须小于1/2LSB ，得/t e -τ<112N + (5)从（3）、（5）我们可得11ln 2N n pft ω+>（6） 其中p t 为信号建立时间，大约为3/8T 。
2.1 模拟量信号的采样与保持PPT课件
《计算机控制系统》 第二章 过程通道
沈阳工程学院动力系 崔长春
课堂练习
1、在模拟量输入通道中，能够实现信号量化的设 备是（ D ）
A、多路开关
B、信号放大器
C、采样/保持器
D、A/D转换器
《计算机控制系统》 第二章 过程通道
沈阳工程学院动力系 崔长春
2、在下列采样方式中，采样点之间的时间间隔为 固定值的是（ A ）
A、周期采样
B、多阶采样
C、随机采样
D、固定采样
《计算机控制系统》 第二章 过程通道
沈阳工程学院动力系 崔长春
3、Shannon采样定理证明，采样信号能唯一地确定原始连
续信号的条件是（ C
）
A、连续信号最高有效频率至少为采样信号频率的2倍
B、连续信号最高有效频率至少为采样信号频率的4倍
C、采样信号的频率至少为连续信号最高有效频率的2倍
D、采样信号的频率至少为连续信号最高有效频率的4倍
《计算机控制系统》 第二章 过程通道
沈阳工程学院动力系 崔长春
4、4位的满量程为10V的A/D转换器，其最大量化误差为 （ B）
A、1/3V
B、 ±1/3V
C、2/3V
D、±2/3V
提问与解答环节
Questions And Answers
谢谢聆听
量化过程是一个数值分层过程;是四舍五入的过程； 最大量化误差为±△/2;
《计算机控制系统》 第二章 过程通道
沈阳工程学院动力系 崔长春
例：一个2位的AD，满量程电压为3V，此AD的量化当量是
（ 1V ），产生的最大量化误差为（ ±1/2 ）。
V
解：△
=
满量程电压 2n-
单片采样保持电路
单片采样保持电路现在已有多种单片采样保持电路的产品。
图5.4-72是单片采样保持电路LF398。
该电路在作为单位增益跟随器使用时，其DC增益精度为0.002%到0.01%时获得时间为6US。
输入阻抗为10的10次方欧姆。
在保持电容为1UF时，输入下降特性为5MV/MIN。
该芯片在±5~±18V之间的任何一种电源电压下工作。
LF198／298／398是单片采样保持放大器，它利用BI-FET技术获得超高的直流(DC)精度，具有信号快速采样和低下降率。
作为单位增益跟随器工作，DC增益精确度典型值为0．002％，采样时间低于6μs时达到0．01％。
一个双极性输入级用于完成低失调电压和宽频带，一个信号输入端实现输入失调的调节而不会降低输入失调漂移的要求。
宽的频带允许LF198／298／398内部包含1MHz反馈环路运算放大器，而不会出现不稳定问题。
输入阻抗1010Ω允许将其用于高阻信号源而不会降低精度。
在输出放大器中采用P沟道结型场效应管(JFET)与双极性器件结合，用一个1μF保持电容器时可获得5mV／分钟的低下降率。
JFET与早期设计使用的MOS器件相比噪声低得多，并且高温稳定性好。
整个芯片设计确保在保持模式下，不存在从输入到输出的直通，即使在信号等于电源电压时也是如此。
LF198／298／398逻辑输入端是具有低输入电流的完全差分输入，允许直接连接TTL、PMOS、CMOS信号电平，差分阈值为1．4V。
LF198／298／398及LF198A／398A等的引脚排列如图所示。
采样时间为20US的中速采样和保持电路功能及原理分析电路的功能所谓采样和保持电路，就是以任意时间取出不断变化的模拟信号，并将其电压加以保持的电路，把该电路作为A-D变换器的前级，固定变换中的模拟电压，取出瞬时值，这样使用速度较低的A-D变换器，也能处理变化速度快的信号。
此外使采样信号与基准相们同步，即可实现采样同步检波以低纹波整流超低频信号。
第5章采样保持器ppt课件
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。
数据采集与处理
5
SDUT
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。
(5 3)
式中 I —— 保持电容CH的漏电流。
数据采集与处理
18
SDUT 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。
数据采集与处理
19
SDUT 5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
CS
-
Ui
K
+ A2
UO
CH
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。
数据采集与处理
20
SDUT 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。
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。
数据采集与处理
14
SDUT 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
孔径误差— 采样／保持器实际保持的 输出值与希望输出值之差。
3.1、采样保持电路
第三章高性能的ADC和DAC模数转换时一种将模拟输入信号转换成N位数字输入信号的技术。
在进行AD转换时通常需要输入信号保持不变，才能保证转换的正确性。
因此需要对输入信号进行采样和保持。
先介绍采样和保持放大器(简称采保)。
问题：一般在哪几种情况下必须使用采保？3.1采样与保持放大器(Sample & Hold Amplifier)1.框图采样与保持放大器是一种具有2个输入(信号输入和控制输入)，一个输出的电路。
两种工作模式(1)采样Sample(跟踪Track)模式：输出精确地跟踪输入的变化，直到出现保持命令。
(2)保持模式(Hold)：输出保持控制命令出现时刻的输入信号的最终值。
2.S/H放大器的用途(1)最主要的用途：作为ADC的驱动器。
如：逐次比较和分量程ADC都要求在数模转换期间输入信号保持不变(像直流)。
(2)多通道同步采样系统。
(3)峰值检波器，延迟线。
3.S/H放大器的基本电路电路构成：四部分。
输入放大器A1，储能元件(保持电容，外接)C，输出缓冲器A2和开关驱动器(1)储能元件：是S/H放大器的心脏，其上的电压在保持期间要求基本不变，在采样期间要能精确跟踪输入信号的变化。
(2)输入放大器：要求具有高输入阻抗，以减少对前级影响。
其输出可作为一个低输出阻抗的信号源，用来对保持电容充电。
(3)输出放大器：要求其输入阻抗极高，以减少保持期间对保持电容的放电。
(4)开关驱动器：用来切换两种工作模式。
要求导通时开关内阻小，关断时阻抗大。
保持电容的容值：大，利于保持不利于跟踪；小，利于跟踪不利于保持；4.S/H放大器的技术指标分两种模式来讨论技术指标，分为静态和动态两类。
(1)跟踪模式(和普通的放大器一样)1)失调：对零输入，输出随时间和温度对零点的偏移。
2)非线性：输出作为输入的函数，该曲线对理想直线的偏差，一般用满标度的百分数表示。
3)增益：输入到输出的直流传递函数的值。
4)调整时间：输入为满标度阶跃信号时输出达到规定的满标度范围内所要求的时间(也称为：acquisition time)。
42 采样保持器 优质课件
一个n位的A／D转换器设它的满量程电 压为VFS，则它的“量化单位”或最小有效位 LSB所代表的电压U=V ／2n。
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。
AD582实用电路（一）
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。
1、用于通用目的的芯片， 如AD583K,AD582,LF398；
2、高速芯片，如THS-0025,THC-0300等； 3、高分辨率芯片，如SHA1144等。 现以AD582芯片和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；
采样保持电路（一）
采样保持电路（一）
采样保持电路(采样/保持器)又称为采样保持放大器。
当对模拟信号进行A/D转换时，需要一定的转换时间，在这个转换时间内，模拟信号要保持基本不变，这样才能保证转换精度。
采样保持电路即为实现这种功能的电路。
一、基本原理
在输入逻辑电平控制下出于“采样”或“保持”两种工作状态。
“采样”状态下电路的输出跟踪输入模拟信号，在“保持”状态下电路的输出保持前次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直至进入下一次采样状态为止。
下图为采样/保持示意图：
最基本的采样/保持器由模拟开关、存储元件(保持电容)和缓冲放大器组成。
如下图：
当Vc为采样电平时，开关s导通，模拟信号Vi通过S向CH充电，输出电压Vo跟踪模拟信号的变化；当Vc为保持电平时，开关S 断开，输出电压Vo保持在模拟开关断开瞬间的输入信号值。
高输入阻抗的缓冲放大器的作用是把CH和负载隔离，否则保持阶段在CH上的
电荷会通过负载放掉，无法实现保持功能。
二、采样/保持器的基本结构
1、串联型
2、反馈型
3、电容校正型。
采样保持电路
➢ 在这种条件下，V1的漏电流大约减小两个数量级。
-E
V ui
R V1
∞
-
+
+N
uo
C
Uc
➢ 可见采用V1后能将V与存储电容C隔离， ➢ 一方面使V的漏电流不流经存储电容， ➢ 另一方面又有效地降低了V1的漏流，从而提高了存储电容的
保持精度。
二、采样保持实用电路
（2）电容校正方法 ➢ 应用补偿电容C1来减小开关漏电流及运算放大器偏
对采样保持电路的主要 要求：
基本原理
精度和速度，充电快、 放电慢
导通电阻、截止电 阻、延迟时间
∞
-
+Biblioteka ui+ N1
∞
-
S
+
+
C UC
为提高实际电路的精度 和速度，需同时从元件 和电路两方面着手解决。
uo
带宽，上升速 率、最大输出 电流和漂移
漏电流
输入阻抗、上升速 率、漂移
采样保持电路
基本原理
采样保持电路的主要性能指标： 捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，到输出值达到
处于采样状态，等效电路如图。
Uc
R1
VD1
VD2 V2
C1
V1
∞
∞ -
R2
+
R3 V
-
+
+ N2
uo
ui
+ N1
C
二、采样保持实用电路
当Uc为高电平时：
Ron2
C1
等效电路如图。
∞
∞
-
-
Ron
+
uo
+
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K
模拟信号 Ui
UC
A
UO
驱动信号
CH
模拟地
采样／保持器的一般结构形式
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.2 采样／保持器的工作原理
采样／保持器工作原理
K
控
制
跟踪 保持 跟踪 保持 跟踪
信
号
A
Ui t 驱动信号
UC
A
UO
CH
模
模拟地
拟
输 入
工作原理如下：
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.3 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：
串联型采样/保持器
UK
-
Ui
+ A1
-
+ A2
UO
K
CH
串联型采样／保持器的结构
模拟地
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Ui的最终值上。
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。
采样／保持器：用于对模拟输入信号进行采样，然 后根据逻辑控制信号指令保持瞬态值，保证模数转 换期间以最小的衰减保持信号的一种器件。
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.2 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。
采样保持电路
3.4.3 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：
串联型采样/保持器
UK
-
Ui
+ A1
-
+ A2
UO
K
CH
串联型采样／保持器的结构
模拟地
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A1对CH的充电速度很快，CH的电压将跟踪Ui的变化。
电容CH对精度的影响：
如果电容值过大，则其时间常数大，当模拟信号频 在数率输端选适高入的择中时信电电，，号压容并由的会时 选于 跟 与，用电踪输容泄容特入量露充性信大小放，号小的电而电要电时且压适容间在有宜。长跟一，，踪定以将的的保会瞬误证影间差其响，。时电电间容容常对两 另少如存外信果在，号电或一源容者般的值负在 输过 载输出小内入阻，阻端抗在太和，保小输增持的出加状影端负态响均载时，采的，会用输由引缓 入于起冲阻电保器抗容持，。漏信以电号减流电的平
的变化。
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.3 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：
串联型采样/保持器
UK
-
Ui
+ A1
-
+ A2
UO
K
CH
串联型采样／保持器的结构
模拟地
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。
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.3 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：
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，影响到采样 ／保持器的精度。 ➢ 跟踪速度也较低。
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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。
因此，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。
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.2 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。
3.4 采样保持电路
3.4.1 概述 3.4.2 采样/保持器的工作原理 3.4.3 类型和主要性能参数 3.4.4 采集速率与采样/保持器的关系 3.4.5 采样/保持器集成芯片 3.4.6 使用中应注意的问题
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.1 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。
A
采 A1
样 输
AA23
出
t1
t2 t3
t4
第三章 数据采集技术
t 在电驱而新t电3时t平动在一平1时刻，信t个时2刻，时模号跟，，前驱刻拟为踪 模驱，动开高时拟动控信保关电刻开信制号持K平到关号电为结断时K来为路低束开断，，低的，，模
此拟开时开，电关驱....容K动..。闭C信H合号上，又的模为电拟高压输电U入C
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.3 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：
串联型采样/保持器
UK
-
Ui
+ A1
-
+ A2
UO
K
CH
串联型采样／保持器的结构
模拟地
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。
第三章 数据采集技术
保信平持号，模Ui拟通开过关模断K拟重开开新瞬关闭间加的到
U电合i 容，值C不CHH变上端并，电等使压待得UACC／又H端D跟电转
t
换压随器UCi转变跟换化随。而U变i 变；化而变化。
采样保持电路
3.4.2 采样／保持器的工作原理
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： 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。
K1断开，K2闭合;
第三章 数据采集技术
采样保持电路
3.4.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
1. 采样／保持器的类型
反馈型采样/保持器
R
-
Ui
- + + A1
K2 K1
UC
-
- + + A2
UO
eOS1
பைடு நூலகம்
eOS2
CH
UK
模拟地
反馈型采样／保持器的结构
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。此时，保持电容CH的端电压为：
1. 采样／保持器的类型
反馈型采样/保持器
R
-
Ui
- + + A1
K2 K1
UC
-
- + + A2
UO
eOS1
eOS2
CH
A1的输入 失调电压
UK
模拟地
反馈型采样／保持器的结构
A2的输入 失调电压
其输出电压反馈到输入端，使A1和A2共同组成一个跟随器。 开关K1和K2有互补的关系： K1闭合，K2断开;