【文章內(nèi)容簡介】 CH充電，這時輸出電壓Uo跟蹤輸入電壓UI的變化。當控制信號UC為保持電平時，開關(guān)S斷開，此時輸出電壓Uo保持模擬開關(guān)S斷開時的瞬時值。為使保持階段CH上的電荷不被負載放掉，在保持電容CH與負載之間需加一個高輸入阻抗緩沖放大器A。采樣/保持電路有兩種工作狀態(tài)，即“采樣”和“保持”狀態(tài)，在采樣狀態(tài)中，采樣/保持電路的輸出跟隨模擬輸入電壓。一旦發(fā)出保持命令，采樣/保持電路將保持采樣命令撤消時刻的采樣值，直到保持命令撤消并再次接到采樣命令為止。此時采樣/保持電路的輸出重新跟隨輸入模擬信號的變化，直到下一個保持命令發(fā)生時為止。UOUCCH模擬輸入信號驅(qū)動信號UISA 圖4 采樣/保持器原理圖1. 采樣/保持電路的主要參數(shù)（1）孔徑時間tAp 在采樣/保持電路中，由于模擬開關(guān)S有一定的動作滯后，保持命令發(fā)出后到模擬開關(guān)完全斷開所需的時間稱為孔徑時間tAp。由于孔徑時間的存在，采樣時間被額外延遲了，在tAp期間輸出仍跟隨輸入變化。（2）捕捉時間tAC 采樣/保持電路的控制信號UC由“保持”電平轉(zhuǎn)為“采樣”電平之后，其輸出電壓Uo將從原保持值過渡到跟隨輸入信號UI值，這段過渡時間稱為捕捉時間tAC。它包括模擬開關(guān)的導通延時時間和建立跟蹤的穩(wěn)定時間，顯然，采樣周期必須大于捕捉時間，才能保證采樣階段充分地采集到輸入的模擬信號UI。（3）保持電壓衰減率 在保持狀態(tài)下，由于保持電容的漏電流會使保持電壓發(fā)生變化，式23中ID為保持階段保持電容CH的泄漏電流，它包括緩沖放大器的輸入電流、模擬開關(guān)斷開時的漏電流、電容內(nèi)部的漏電流等。增大電容CH可減少這種變化，但捕捉時間tAC也隨之增大。此外，減小ID可減少這種變化。采用高輸入阻抗的運算放大器，選擇優(yōu)質(zhì)電容如緝、聚四氟乙烯電容作保持電容以及選用漏電流小的模擬開關(guān)等措施，可以減少保持電壓的變化。 (23)2. 采樣/保持器的選擇與連接電路采樣/保持器的選擇，是以速度和精度作為最主要的因素。因為影響采樣/保持器的誤差源比較多，所以關(guān)鍵在于誤差的分析。在選擇時，一般優(yōu)先考慮單片集成產(chǎn)品，因為它具有中等性能而價格較低。所謂價格較低，是指采集時間為4μs時，%的誤差帶內(nèi)；采集時間為5μs～25μs時，%。單片集成/保持器大都需要外接保持電容。保持電容的質(zhì)量直接關(guān)系到采樣/保持器的精度。一般工作溫度范圍為0℃~+50℃，并已在25℃時調(diào)整偏移誤差和增益誤差至零，則可對單片集成采樣/保持器做出如表3所示的誤差和性能估算。表3 采樣/保持器的誤差估算誤差源性 能誤 差采集誤差額定采集時間相應的誤差%增益誤差增益誤差溫度系數(shù)為15106/℃，溫度變化為177。25℃，所以增益誤差為1510625%偏移溫漂誤 差偏移溫漂約為30μV/℃，溫度變化177。25℃，所以最大偏移溫漂誤差為3025=750（μV）。對于10V滿量程輸入，誤差為750μV/10V%非線性誤差一般額定值%降落誤差與保持電容質(zhì)量關(guān)系很大，降落率dU/～100μV/μs。且是溫度的函數(shù)。取dU/dt（25℃）=10μV/μs，則+50℃時該值將增為10倍。假設(shè)保持時間10μs，則電壓降落為10μV/μs1010μs=1mV，% %介質(zhì)吸收一般估計%（孔徑抖動未計算在內(nèi)） 總誤差（最壞情況） 總靜態(tài)誤差（均方根值）% %常用的集成采樣/保持器有AD58AD58AD585以及國家半導體公司的LF198/298/398等。本設(shè)計選用AD582。AD582是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的通用型采樣保持器。它由一個高性能的運算放大器、低漏電阻的模擬開關(guān)和一個由結(jié)型場效應管集成的放大器組成[5]。它采用14腳雙列直插式封裝，其管腳及結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，其中腳1是同相輸入端，腳9是反相輸入端，保持電容CH在腳6和腳8之間，腳10和腳5是正負電源，腳11和腳12是邏輯控制端，腳3和腳4接直流調(diào)零電位器，腳2,7,13,14為空腳(NC)。 圖5 AD582管腳圖由于AD582的以下特征，本設(shè)計所以選擇AD582采樣保持器。（1）有較短的信號捕捉時間，最短達到6μs。該時間與所選擇的保持電容有關(guān)，電容值越大，捕捉時間越長，它影響采樣頻率。（2）有較高的采樣/保持電流比，可達到107。該值是保持電容器充電電流與保持模式時電容漏電流之間的比值，是保證采樣/保持器質(zhì)量的標志。（3）在采樣和保持模式時有較高的輸入阻抗，約30兆歐姆。（4）輸入信號電平可達到電源電壓177。US，可適應于12位的A/D轉(zhuǎn)換器。（5）具有相互隔開的模擬地、數(shù)字地，從而提高了抗干擾能力。（6）具有差動的邏輯輸入端+IN和IN，利用差動的邏輯輸入端+IN和IN，可以由任意的邏輯電平控制其開關(guān)。在高壓COMS的邏輯電平為0V和+9V時，IN接入+5V后，則0V輸入使芯片處于跟蹤模式，+9V輸入時芯片工作在保持模式下。（7） AD582可與任何獨立的運算放大器連接，以控制增益或頻率響應，以及提供反相信號等。由于AD582的孔徑時間tAP=50ns、捕捉時間tAC=6μs，12位的AD574的轉(zhuǎn)換時間tCONV=25μs，則可以計算出系統(tǒng)可采集的最高信號頻率如式24所示。 (24)由（24）式可見，使系統(tǒng)可采集的信號頻率提高了許多倍，大大改善了系統(tǒng)的采樣頻率。因此，在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中加入采樣/保持器是很有必要的。但是由采樣定理可知，一個有限帶寬的模擬信號是可以在某個采樣頻率下重新恢復而不喪失任何信號的，該采樣頻率至少應為兩倍于最高信號頻率。這意味著帶采樣/保持器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須在速率至少為兩倍的信號頻率下采樣、轉(zhuǎn)換，并采集下一個點。因此，本設(shè)計的系統(tǒng)可處理的最高輸入信號頻率應為式25所示。 (25)AD582是反饋型采樣/保持器，保持電容接在運算放大器A2的輸入端(腳8)與反相輸入端(腳6)之間。根據(jù)“密勒效應”，這樣的接法相當與在A2的輸入端接有點容C1H=(1+A2) CH (A2為運算放大器A2的放大倍數(shù))。所以AD582外接較小的電容可獲得較高的采樣速率。當精度要求不高(177。%)而速度要求較高時，可選CH=100PF，這樣的捕捉時間tAC6us。當精度要求較高(177。%)時，為了減小饋送的影響和減緩保持電壓的下降，應取CH=1000PF。因此，本設(shè)計的系統(tǒng)根據(jù)對采集精度的要求可以配置不同的CH的，圖6為AD582的連接圖。圖6 AD582的連接圖 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，選擇A/D轉(zhuǎn)換器時，要根據(jù)系統(tǒng)采集對象的性質(zhì)來選擇其類型。1. 系統(tǒng)A/D通道方案的確定 在數(shù)據(jù)采集中，要采集多個模擬信號，而且采集要求不盡相同。因此，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入通道方案多種多樣，應該根據(jù)被測對象的具體情況確定[6]。目前，常見的系統(tǒng)A/D通道方案有以下幾種。（1）不帶采樣/保持器的A/D通道對于直流或低頻信號，通常可以不用采樣/保持器，直接用A/D轉(zhuǎn)換器采樣。（2）帶采樣/保持器的A/D轉(zhuǎn)換通道當模擬輸入信號電壓最大變化率較大時，A/D通道需要使用采樣/保持器。帶采樣/保持器的A/D轉(zhuǎn)換通道分為：多路模擬通道共享采樣/保持器的通道、多通道共享A/D轉(zhuǎn)換器的通道、多通道并行A/D轉(zhuǎn)換的通道。多路模擬通道共享采樣/保持器的通道是采用分時轉(zhuǎn)換工作方式。模擬開關(guān)在單片機控制下，分時選通各個通道信號，然后把信號送采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送單片機處理。由于各路信號的幅值可能有很大的差異，常在系統(tǒng)中放置放大器，使加到A/D輸入端的模擬電壓幅值處于FSR/2~FSR范圍，以便充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的滿程分辨率。多通道共享采樣/保持器與A/D轉(zhuǎn)換器的典型電路原理圖如圖7所示。根據(jù)本設(shè)計的系統(tǒng)被采集信號的數(shù)量、特性（類型、帶寬、動態(tài)范圍等）、精度和轉(zhuǎn)換速度的要求、各路模擬信號之間相位差的要求和工作環(huán)境要求等實際情況，使之既在系統(tǒng)性能上達到或超過預期的指標，又造價低廉。所以本設(shè)計的系統(tǒng)采用多路模擬通道共享采樣/保持器的方案。模擬多路開關(guān)模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機控 制 邏 輯模擬輸入信號放大器采樣保持 圖7 多通道共享采樣/保持器與A/D轉(zhuǎn)換器圖如果在某一溫度調(diào)整轉(zhuǎn)換器的偏移和增益誤差為零，則溫度改變時，偏移和增益誤差就不再是零了。因此，要對各項誤差做出估算。如表4所示。表4 A/D轉(zhuǎn)換器的各項誤差誤差源性 能誤 差量化誤差177。LSB/2%微分線性度誤差177。LSB/2%微分線性度溫漂誤差[（2～5）106/℃] 25℃～%偏移溫漂誤差5106/℃25℃%增益溫漂誤差[（10～20）106/℃] 25℃%～%電源電壓誤差1%%長周期變化一般估計%總誤差（最壞情況）～%總靜態(tài)誤差（均方根值）～%2. 逐次逼近型12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是把模擬信號轉(zhuǎn)化數(shù)字信號。本系統(tǒng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路選取逐次逼近型12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574，并用一片8位D鎖存器74LS373構(gòu)成系統(tǒng)控制寄存器，進行數(shù)據(jù)采集。地址譯碼器由一片74LS138（38 譯碼器）以及門電路組成。AD574是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的一種快速12位逐次比較式A/D變換器，是單通道變換器。片內(nèi)具有三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器、電壓基準和時鐘電路。溫度的調(diào)節(jié)范圍為20℃～40℃，十進制分度為200，非線性誤差小于177。(1/2)LSB，一次轉(zhuǎn)換時間為25μs，電源供電為177。15V(177。12V)和+5V；AD574具有轉(zhuǎn)換時間快，與單片機接口方便可直接采用雙極性模擬信號輸入等優(yōu)點。有著廣泛的應用場合。（1）結(jié)構(gòu)與引腳 AD574的引腳圖如圖9所示。AD574由模擬芯片和數(shù)字芯片混合組成。模擬部分由高性能的12位A/D轉(zhuǎn)換器和參考電壓組成。數(shù)字部分由控制邏輯、逐次逼近寄存器和三態(tài)輸出緩沖器構(gòu)成，控制邏輯發(fā)出啟/停及復位信號，控制轉(zhuǎn)換過程。由于芯片內(nèi)部的比較輸入回路，接有可改變量程的電阻和雙極型輸入偏置電阻，因此，AD574的輸入模擬電壓量程范圍有0V~+10V，0V~+20V，5V~+5V，10V~+10V四種。（2）AD574的引腳功能CE：芯片允許工作控制端。CE=1時，允許；CE=0時，禁止。CS：片選線，低電平有效。CS與CE必須同時有效，AD574才能工作，否則AD574處于禁止狀態(tài)。R/：讀/啟動A/D控制端。R/=0時，啟動轉(zhuǎn)換；R/ =1時，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。12/：數(shù)據(jù)格式選擇端。當12/=1時，12位數(shù)據(jù)一次讀出，主要用于16位微機系統(tǒng)；12/ =0時，可與8位單片機接口。AD574采用左對齊數(shù)據(jù)方式。12/與A0配合，使12位數(shù)據(jù)分兩次讀出，A0=0時，讀取高8位，A0=1時，讀取低4位（數(shù)據(jù)低半字節(jié)附加零）。12/不能用TTL電平控制，必須用+5V或數(shù)字地控制。A0：字選擇線。與CPU接口時，通常接至低位地址線。A0引腳有兩個作用，一是選擇字節(jié)長度，二是與8位微機接口時用作選擇讀出字節(jié)。啟動轉(zhuǎn)換時若A0=1，則AD574按8位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為10μs；若A0=0，則按12位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為25μs，與12/的狀態(tài)無關(guān)。讀操作中，A0=0時，高位數(shù)有效；而A0=1時，則低4位數(shù)據(jù)有效。但12/=1（接口+5V）時，則A0的狀態(tài)不起作用。 以上5種信號的電平狀態(tài)與芯片的操作對應關(guān)系如表6所示。STS：工作狀態(tài)指示。STS=1時，轉(zhuǎn)換正在進行；STS=0時，轉(zhuǎn)換結(jié)束。10VIN：10V量程輸入端。20VIN：20V量程輸入端。REF IN、REF OUT：參考電壓輸入、輸出端。將REF OUT端通過100歐姆的精密電位器接至REF IN端即可進行滿刻度校準。DO11～DO0：12位數(shù)據(jù)線，三態(tài)輸出鎖存，可直接與CPU數(shù)據(jù)總線相連。BIP OFF：雙極性偏移調(diào)節(jié)端。AGND、DGND：模擬地、數(shù)字地。 VL：數(shù)字邏輯電路工作電源：+～+。VCC：模擬電路正工作電源：+～+。VEE：模擬電路負工作電源：～。 圖9 AD574的引腳圖表6 AD574的控制信號的作用CECSR/12/A0AD574的操作0禁止轉(zhuǎn)換，無操作1芯片接通，無操作1000啟動1次12位轉(zhuǎn)換1001啟動1次8位轉(zhuǎn)換101高電平（接+5V）允許12位并行輸出101低電平（接0V）0允許高8位輸出101低電平（接0V）1允許低4位輸出（后加4個0）（3）AD574的單極性和雙極性工作方式 AD574有單極性和雙極性兩種工作方式，后允許模擬輸入信號為雙極性信號。單極性模擬輸入有兩種量程：0～10V量程從AD574的10VIN引腳13輸入；0～20V量程從AD574的20VIN引腳14輸入。 電位器W1接參考電壓輸出端BIP OFF端用作零位偏移調(diào)整，電位器W2接參考電壓輸入端REF IN和雙極性偏移調(diào)節(jié)端BPLRof端用作滿量程調(diào)整。圖10 AD574的工作方式雙極性模擬輸入有兩