1
SDUT
数据采集与处理
5.1 概述
5.2 采样 /保持器的工作原理
5.3 类型和主要性能参数
第 5章 采样／保持 器
5.4 采集速率与采样 /保持器的关系
5.5 测量放大器的使用
5.5 测量放大器的使用
2
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数据采集与处理
5.1 概述
第 5章 采样／保持器
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
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数据采集与处理
第 5章 采样／保持器
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 。
模拟信号 Ui
K
驱动信号
A
CH
模拟地
UO
图 5.1 采样／保持器的一般结构形式
4
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数据采集与处理
5.2 采样／保持器的工作原理
组成
模拟开关 K
电容 CH
缓冲放大器 A
5
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数据采集与处理
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。
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 。
5.2 采样／保持器的工作原理
工作原理如下：
t
控
制
信
号
t
模
拟
输
入
A
t
采
样
输
出
跟踪
t1
A2
t2
A1
t3
保持
A3
t4
A
图 5.2 采样／保持器工作原理
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；
t3时刻，驱动信号为低
电平时，模拟开关 K断
开,,.....。
6
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数据采集与处理
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
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数据采集与处理
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
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数据采集与处理
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
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数据采集与处理
第 5章 采样／保持器
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：
串联型
串联型采样／保持器的结构如图 5.3 。
10
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数据采集与处理
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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 。
Ui
-
+ A1
K
UK
-
+ A2
CH
模拟地
UO
图 5.3 串联型采样／保持器的结构
11
SDUT
数据采集与处理
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
优点：
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。
结构简单
反馈型
反馈型采样 ／ 保持器的结构如图 5.4 所示 。
12
SDUT
数据采集与处理
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
其输出电压反馈到输入端，使和共同组成一个跟随器。
开关和有互补的关系,K1闭合, K2断开
K1断开, K2闭合
图 5.4 反馈型采样／保持器的结构
Ui
-
+ A1- +
eOS1
-
+ A2
CH
模拟地
- +
eOS2
K1
UK
UC U
O
R
K2
作用：
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
)15(O S 2O S 1iC ??? eeUU ≈
式中 eOS1 和 eOS2 分别为运放 A1和 A2的失调电压 。
当 K1断开, K2闭合时, 采样 ／ 保持器
工作于保持状态 。
此时, CH的端电压保持在 K1断开瞬间
的 Ui值上, 使
)25(O S 1iO S 2Co ???? eUeUU ≈
13
SDUT
数据采集与处理
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。
14
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数据采集与处理
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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 。
2,采样 ／ 保持器的主要性能参数
孔径时间 tAP
15
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数据采集与处理
捕捉时间
孔径不定
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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 。
t
U
孔径误差
实际输出
希望的输出
模拟信号
保持
跟踪
保持指令发出时刻
tAP
△ tAP
tAC
tST
保持
图 5.5 采样／保持全过程
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 。
16
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数据采集与处理
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。
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。
17
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数据采集与处理
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。
18
SDUT
数据采集与处理
捕捉时间 tAC
捕捉时间 — 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。
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
捕捉时间不影响采样精度，但对采样
频率的提高有影响。
19
SDUT
数据采集与处理
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：
)35(
)pF(
)pA()s/V(
H
??
?
?
C
I
T
U
式中 I —— 保持电容 CH的漏电流 。
20
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数据采集与处理
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 。
21
SDUT
数据采集与处理
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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。
图 5.6 馈送的通路
Ui
-
+ A2
CH
UO
CS
K
22
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数据采集与处理
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。
23
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数据采集与处理
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
电荷转移偏差
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。
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。
24
SDUT
数据采集与处理
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。
25
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数据采集与处理
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。
26
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数据采集与处理
Ui= Um2 sinωt
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
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，
t
Um
2
△ t
△ U
U
图 5.8 正弦信号的最大变化率
27
SDUT
数据采集与处理
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
d
d
i
m
U
t
U tm a x c os? 1
2
? ? 在过零处
由于在正弦信号过零时, ωt = ± nπ，
|cos(± nπ)| =1,所以
d
d
i
m m
U
t
U f Um a x ? ? ? ? ?1
2
? ?
则
28
SDUT
数据采集与处理
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
? U t U
ti C O N V
id
d
? ? m a x
由此可得出
? U
U
f ti
m
CO N V? ? ??
29
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数据采集与处理
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
)45()Hz(
2
1
C O N V
m a x ?? tf n ?
30
SDUT
数据采集与处理
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
LSB
2
1,
则系统可采集的最高信号频率为
5)-(5)Hz(
2
1
C O N V
1m a x tf n ???
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 。
31
SDUT
数据采集与处理
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
LSB21
,计算系统可采集的最高信
号频率。
解,由式 （ 5-5） 知
32
SDUT
数据采集与处理
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
)Hz(22.6
1010014.32
1
2
1
618
C O N V
1m a x ?????? ??? tf n ?
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
33
SDUT
数据采集与处理
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
? U L S B? 1
)65()Hz(
2
1
AP
m a x ?? tf n ?
? U L S B? 12 )75()Hz(
2
1
AP
1m a x ?? ? tf n ?
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。
34
SDUT
数据采集与处理
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
)kH(44.12)Hz(3.1 2 4 4 0105014.32 12 1 918
AP
1m a x ztf n ??????? ??? ?
35
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数据采集与处理
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
)85(
)(2
1
APC O N VAC
m a x ???? tttf
36
SDUT
数据采集与处理
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 。
37
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数据采集与处理
5.5 采样／保持器集成芯片
1 2 3 4 5 6 7
891011121314
+ I N N U L L
O U T P U T-IN
C H N C
N C N C
N C
+
SU
- SU
L + L
-
图5, 9 A D 5 8 2 管脚及结构示意
组成
高性能运放
低漏电阻的模拟开关
结型场效应管集成的放大器
38
SDUT
数据采集与处理
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 。
39
SDUT
数据采集与处理
5.5 采样／保持器集成芯片
数字地
1
34 5
6
8
9
10
1112
C H
R L
U i A
1 oU2A
+
-
= 2k
+ 1 5 V- 1 5 V
0, 0 5 μ F
1 0 k
模拟地
Ω
Ω
图5, 1 0 A D 5 8 2 实用电路（一）
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 ? ? ?C C
H HA( )1 2
40
SDUT
数据采集与处理
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 。
41
SDUT
数据采集与处理
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
K
R
R
? ?( )1
1
F
2,LF198
LF198也是反馈型采样／保持器，请大家自习 。
42
SDUT
数据采集与处理
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，
每次数据采集过程
采样
A／ D转换
43
SDUT
数据采集与处理
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
t t t TAC ST C O N V S? ? ?
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,
44
SDUT
数据采集与处理
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
%39.0
2 5 6
12 8 ???
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。
45
SDUT
数据采集与处理
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
)95(
2
1
d
d
C O N V
??
t
L S B
t
U
46
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
当根据 LSB定出 d
d
U
t
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
m a x
i )
d
d
t
U（, 允
许的孔径误差
L S B21?
，则孔径时间应满足下式：
47
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
)105(
2
1)
d
d
APm a x
i ??? L S Bt
t
U（
或 t L S B
U
t
AP
i
d
d
?
1
2
( )
max
48
SDUT
数据采集与处理
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
原因,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。
目的,避免数字电路的突变电流对模拟电
路的影响。
49
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
方法,将模拟地与数字地分别用引线接到
模拟电源和数字电源的参考点上。
漏电耦合的影响
如图 5.13所示 。
当进入保持模式时，
逻辑输入信号会通过印刷
电路板布线间的漏电流耦
合到模拟输入端而引起保
持误差。
LF198模拟输入 3
U+
1
U-
4
5 输出
6
CH78
逻辑信号输入
0V
5V
图 5.13 LF198采样 /保持逻辑
50
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
解决方法：
印刷电路板布线时，应使逻辑输入端的
走线尽可能远离与模拟输入端。
将模拟信号输入端用地线包围起来，以
隔断漏电流的通路。
降低逻辑输入信号的幅值，如 5V→2.5V。
51
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
寄生电容的影响
现象：
在逻辑信号输入端
与保持电容器之间存在
寄生电容，当逻辑信号
输入端加一跳变的控制
信号时，由于寄生电容
的耦合作用，也将引起
采样／保持器的输出误
差。
LF198模拟输入 3
U+
1
U-
4
5 输出
6
CH78
逻辑信号输入
0V
5V
图 5.13 LF198采样 /保持逻辑
52
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
例如,LF198,若保持电容是 0.01?F,设
寄生电容为 1pF,当逻辑信号输入
端加一个 5V的跳变信号, 使采样／
保持器从跟踪模式 →保持模式时，
由于寄生电容的影响，相当于在模
拟输入端增加了 1mV的输入信号，
从而引起输出误差 。
53
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
解决方法,在印刷板上做一与采样／保持
器输出端相连接的短路环，把
保持电容的非接地脚包围起来，
以减少寄生电容的影响。
54
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
L F 1 9 8
1
2
4
3
5
6
7
8
C H
G N D
逻辑信号输入
模拟输入
输出
图5, 1 4 减少寄生电容影响的措施
SDUT
数据采集与处理
5.1 概述
5.2 采样 /保持器的工作原理
5.3 类型和主要性能参数
第 5章 采样／保持 器
5.4 采集速率与采样 /保持器的关系
5.5 测量放大器的使用
5.5 测量放大器的使用
2
SDUT
数据采集与处理
5.1 概述
第 5章 采样／保持器
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
SDUT
数据采集与处理
第 5章 采样／保持器
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 。
模拟信号 Ui
K
驱动信号
A
CH
模拟地
UO
图 5.1 采样／保持器的一般结构形式
4
SDUT
数据采集与处理
5.2 采样／保持器的工作原理
组成
模拟开关 K
电容 CH
缓冲放大器 A
5
SDUT
数据采集与处理
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。
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 。
5.2 采样／保持器的工作原理
工作原理如下：
t
控
制
信
号
t
模
拟
输
入
A
t
采
样
输
出
跟踪
t1
A2
t2
A1
t3
保持
A3
t4
A
图 5.2 采样／保持器工作原理
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；
t3时刻，驱动信号为低
电平时，模拟开关 K断
开,,.....。
6
SDUT
数据采集与处理
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
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数据采集与处理
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
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数据采集与处理
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
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数据采集与处理
第 5章 采样／保持器
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：
串联型
串联型采样／保持器的结构如图 5.3 。
10
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数据采集与处理
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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 。
Ui
-
+ A1
K
UK
-
+ A2
CH
模拟地
UO
图 5.3 串联型采样／保持器的结构
11
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
优点：
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。
结构简单
反馈型
反馈型采样 ／ 保持器的结构如图 5.4 所示 。
12
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
其输出电压反馈到输入端，使和共同组成一个跟随器。
开关和有互补的关系,K1闭合, K2断开
K1断开, K2闭合
图 5.4 反馈型采样／保持器的结构
Ui
-
+ A1- +
eOS1
-
+ A2
CH
模拟地
- +
eOS2
K1
UK
UC U
O
R
K2
作用：
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
)15(O S 2O S 1iC ??? eeUU ≈
式中 eOS1 和 eOS2 分别为运放 A1和 A2的失调电压 。
当 K1断开, K2闭合时, 采样 ／ 保持器
工作于保持状态 。
此时, CH的端电压保持在 K1断开瞬间
的 Ui值上, 使
)25(O S 1iO S 2Co ???? eUeUU ≈
13
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数据采集与处理
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。
14
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数据采集与处理
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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 。
2,采样 ／ 保持器的主要性能参数
孔径时间 tAP
15
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数据采集与处理
捕捉时间
孔径不定
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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 。
t
U
孔径误差
实际输出
希望的输出
模拟信号
保持
跟踪
保持指令发出时刻
tAP
△ tAP
tAC
tST
保持
图 5.5 采样／保持全过程
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 。
16
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数据采集与处理
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。
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。
17
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数据采集与处理
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。
18
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数据采集与处理
捕捉时间 tAC
捕捉时间 — 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。
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
捕捉时间不影响采样精度，但对采样
频率的提高有影响。
19
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数据采集与处理
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：
)35(
)pF(
)pA()s/V(
H
??
?
?
C
I
T
U
式中 I —— 保持电容 CH的漏电流 。
20
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数据采集与处理
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 。
21
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5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
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。
图 5.6 馈送的通路
Ui
-
+ A2
CH
UO
CS
K
22
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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。
23
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数据采集与处理
5.3 采样／保持器的类型和主要性能参数
电荷转移偏差
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。
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。
24
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数据采集与处理
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。
25
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数据采集与处理
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。
26
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数据采集与处理
Ui= Um2 sinωt
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
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，
t
Um
2
△ t
△ U
U
图 5.8 正弦信号的最大变化率
27
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数据采集与处理
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
d
d
i
m
U
t
U tm a x c os? 1
2
? ? 在过零处
由于在正弦信号过零时, ωt = ± nπ，
|cos(± nπ)| =1,所以
d
d
i
m m
U
t
U f Um a x ? ? ? ? ?1
2
? ?
则
28
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数据采集与处理
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
? U t U
ti C O N V
id
d
? ? m a x
由此可得出
? U
U
f ti
m
CO N V? ? ??
29
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数据采集与处理
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
)45()Hz(
2
1
C O N V
m a x ?? tf n ?
30
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数据采集与处理
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
LSB
2
1,
则系统可采集的最高信号频率为
5)-(5)Hz(
2
1
C O N V
1m a x tf n ???
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 。
31
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数据采集与处理
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
LSB21
,计算系统可采集的最高信
号频率。
解,由式 （ 5-5） 知
32
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数据采集与处理
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
)Hz(22.6
1010014.32
1
2
1
618
C O N V
1m a x ?????? ??? tf n ?
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
33
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数据采集与处理
5.4 系统采集速率与采样／保持器的关系
? U L S B? 1
)65()Hz(
2
1
AP
m a x ?? tf n ?
? U L S B? 12 )75()Hz(
2
1
AP
1m a x ?? ? tf n ?
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。
34
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数据采集与处理
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
)kH(44.12)Hz(3.1 2 4 4 0105014.32 12 1 918
AP
1m a x ztf n ??????? ??? ?
35
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数据采集与处理
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
)85(
)(2
1
APC O N VAC
m a x ???? tttf
36
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数据采集与处理
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 。
37
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数据采集与处理
5.5 采样／保持器集成芯片
1 2 3 4 5 6 7
891011121314
+ I N N U L L
O U T P U T-IN
C H N C
N C N C
N C
+
SU
- SU
L + L
-
图5, 9 A D 5 8 2 管脚及结构示意
组成
高性能运放
低漏电阻的模拟开关
结型场效应管集成的放大器
38
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数据采集与处理
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 。
39
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数据采集与处理
5.5 采样／保持器集成芯片
数字地
1
34 5
6
8
9
10
1112
C H
R L
U i A
1 oU2A
+
-
= 2k
+ 1 5 V- 1 5 V
0, 0 5 μ F
1 0 k
模拟地
Ω
Ω
图5, 1 0 A D 5 8 2 实用电路（一）
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 ? ? ?C C
H HA( )1 2
40
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数据采集与处理
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 。
41
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数据采集与处理
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
K
R
R
? ?( )1
1
F
2,LF198
LF198也是反馈型采样／保持器，请大家自习 。
42
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数据采集与处理
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，
每次数据采集过程
采样
A／ D转换
43
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数据采集与处理
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
t t t TAC ST C O N V S? ? ?
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,
44
SDUT
数据采集与处理
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
%39.0
2 5 6
12 8 ???
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。
45
SDUT
数据采集与处理
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
)95(
2
1
d
d
C O N V
??
t
L S B
t
U
46
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
当根据 LSB定出 d
d
U
t
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
m a x
i )
d
d
t
U（, 允
许的孔径误差
L S B21?
，则孔径时间应满足下式：
47
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
)105(
2
1)
d
d
APm a x
i ??? L S Bt
t
U（
或 t L S B
U
t
AP
i
d
d
?
1
2
( )
max
48
SDUT
数据采集与处理
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
原因,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。
目的,避免数字电路的突变电流对模拟电
路的影响。
49
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
方法,将模拟地与数字地分别用引线接到
模拟电源和数字电源的参考点上。
漏电耦合的影响
如图 5.13所示 。
当进入保持模式时，
逻辑输入信号会通过印刷
电路板布线间的漏电流耦
合到模拟输入端而引起保
持误差。
LF198模拟输入 3
U+
1
U-
4
5 输出
6
CH78
逻辑信号输入
0V
5V
图 5.13 LF198采样 /保持逻辑
50
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
解决方法：
印刷电路板布线时，应使逻辑输入端的
走线尽可能远离与模拟输入端。
将模拟信号输入端用地线包围起来，以
隔断漏电流的通路。
降低逻辑输入信号的幅值，如 5V→2.5V。
51
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
寄生电容的影响
现象：
在逻辑信号输入端
与保持电容器之间存在
寄生电容，当逻辑信号
输入端加一跳变的控制
信号时，由于寄生电容
的耦合作用，也将引起
采样／保持器的输出误
差。
LF198模拟输入 3
U+
1
U-
4
5 输出
6
CH78
逻辑信号输入
0V
5V
图 5.13 LF198采样 /保持逻辑
52
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
例如,LF198,若保持电容是 0.01?F,设
寄生电容为 1pF,当逻辑信号输入
端加一个 5V的跳变信号, 使采样／
保持器从跟踪模式 →保持模式时，
由于寄生电容的影响，相当于在模
拟输入端增加了 1mV的输入信号，
从而引起输出误差 。
53
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
解决方法,在印刷板上做一与采样／保持
器输出端相连接的短路环，把
保持电容的非接地脚包围起来，
以减少寄生电容的影响。
54
SDUT
数据采集与处理
5.6 采样／保持器使用中应注意的问题
L F 1 9 8
1
2
4
3
5
6
7
8
C H
G N D
逻辑信号输入
模拟输入
输出
图5, 1 4 减少寄生电容影响的措施
