第3章模拟信号处理技术.ppt

《第3章模拟信号处理技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章模拟信号处理技术.ppt（96页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。

1、3.1 模拟多路开关 3.2 测量放大器 3.3 程控增益放大器 3.4 采样/保持器 3.5 有源滤波器,在构成数据采集系统时，往往需要同时使用多个传感器对多路信号进行采集。如果一个传感器对应使用一个模拟数字转换器(ADC)，显然将使系统成本大大增加。通常的办法是使几个传感器多路复用一个公共的ADC。具体可采用如下复用方式：(1)选用具有多路模拟输入通道的A/D转换器。如08080809A/D转换器本身就有8个模拟输入通道。此时不需外加电路就可实现多路输入，简单易行；(2)采用A/D转换器本身的扩展端实现模拟输入通道的扩展。例如ADC0816就具有外部通道扩展功能。(3)采用专门的模拟多路开

2、关扩展输入通道。第三种方法灵活性最好，是最为常用的方法。,3.1 模拟多路开关,1.机械式多路开关 单纯机械结构式多路开关在现代数据采集系统中已经很少使用。,一、工作原理：,3.1 模拟多路开关,2.电磁式多路开关 电磁式多路开关主要是指干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器等。其中干簧继电器体积小、切换速度快、噪声小、寿命长、最适合模拟量输入通道中使用。干簧继电器的工作频率一般可达1040次秒，断开电阻大于1M，导通电阻小于50毫欧，使用寿命可达1亿次。吸合和释放时间约1ms，不受环境的温度影响，而且输入电压，电流容量大，动态范围宽。其缺点是体积大(与电子开关相比)，工作频率低，在通断时存

3、在抖动现象，因此一般用于低速高精度检测系统中。,一、工作原理：,3.1 模拟多路开关,与电磁式开关相比，模拟电子开关具有切换速度高、无抖动、易于集成的优点，但是导通电阻一般较大，输入电压、电流容量较小，动态范围很有限。常用的模拟电子开关有4种。,一、工作原理：,3.电子式开关,3.1 模拟多路开关,一、工作原理：,（1）晶体管开关,3.电子式开关,工作原理：优点：开关速度快。缺点：漏电流大，开路电阻小，导通电阻大。电流控制器件，功耗大，集成度低，一个方向传送信号。,3.1 模拟多路开关,一、工作原理：,（2）光电耦合开关,3.电子式开关,将发光二极管与光敏晶体管或光敏电阻封在一起即可构成光电耦

4、合开关，又叫最佳隔离开关。,3.1 模拟多路开关,一、工作原理：,（2）光电耦合开关,3.电子式开关,这种开关由于采用光电转换方式进行开关信号传送，故速度和工作频率属中等，但其控制端与信号通道的隔离较好，耐压高。由于其利用晶体管的导通和截止来实现开关的通和断，因此也存在残留失调电压和单向导电情况；如果以光敏电阻代替光敏三极管，则可实现双向传送，但光敏电阻的阻值分散性大，反应速度也较低，因此这类开关多用于要求隔离情况良好但传输精度不高的场合，也常用于输出通道中需通道隔离的场合。,3.1 模拟多路开关,一、工作原理：,（3）结型场效应管开关,3.电子式开关,工作原理：优点：工作速度快；导通电阻小（

5、约5100欧）；断开电阻大（一般10兆欧以上）；具有双向导通的功能。缺点：为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，使用不方便。,3.1 模拟多路开关,一、工作原理：,（4）CMOS场效应管开关,3.电子式开关,绝缘栅场效应管分为PMOS、NMOS和CMOS三种类型，最常用的是CMOS场效应管。其导通电阻随信号电压波动小。这是一种应用最普遍的模拟开关。它能克服单沟道场效应管开启电阻随输入电压变化而变化的缺点。CMOS开关具有较其它电子开关明显的特性好，成本低等优点，目前常用的集成模拟开关大多采用了CMOS工艺。,3.1 模拟多路开关,一、工作原理：,（4）CMOS场效应管开关,3.电子式开关,8路

6、P沟通绝缘栅场效应管多路开关的工作原理与结型场效应管多路开关类似。请同学们自己分析。优点：开关切换速度快，导通电阻小，且随信号电压变化波动小；易于和驱动电路集成。缺点：衬底要有保护电压。,3.1 模拟多路开关,一、工作原理：,4.集成电路开关,集成电路开关是将多路开关、计数器、译码器制造在一个芯片上。工作原理：设选择第1路输入信号，则计算机输出一个4位二进制码，把计数器置成0000状态，经4-16线译码器后，第1根线输出高电平，场效应管T1导通，UO=Ui1，选中第1路信号。,3.1 模拟多路开关,二、模拟多路开关的主要技术指标,Ron：导通电阻；Ronvs：导通电阻温度漂移；Ic：开关接通电

7、流；Is：开关断开时的泄漏电流；Cs：开关断开时的开关对地电容；Cout：开关断开时，输出端对地电容；tON：选通信号达到50这一点时到开关接通时的延迟时间；tOFF：选通信号达到50这一点时到开关断开时的延迟时间；tOPEN：开关切换时间，即当两个通道均为断开时，开关从一个通道的接通状态转到另一个通道的接通状态并达到稳定所用的时间。,3.1 模拟多路开关,三、常用的模拟多路开关集成芯片,在数据采集中常用的模拟多路开关集成芯片有AD公司的AD7501和AD7503，RCA公司的CD4051，以及MOTA公司的MC14051等。,1.AD7501 AD7501内部结构与引脚功能见图。它采用16脚

8、双列直插式封装，脚14和脚15分别接15v电源，脚2(GND)接地。,3.1 模拟多路开关,三、常用的模拟多路开关集成芯片,1.AD7501,具有8个输入通道(SlS8)、一个输出通道(OUT)的多路CMOS开关。由三个地址线(A0，A1，A2)及使能端EN的状态来选择8个输入通道之一与输出端导通。片上所有逻辑输入与TTL/DTL及CMOS电路兼容。,3.1 模拟多路开关,三、常用的模拟多路开关集成芯片,1.AD7501,3.1 模拟多路开关,三、常用的模拟多路开关集成芯片,1.AD7501,AD7501的主要性能参数如下：,CMOS工艺制造；,能直接与TTL/CMOS接口；,单路8选1模拟多

9、路转换器；,具有双向传输的能力；,标准16脚DIP封装；,电源；,功耗；,开关接通电阻：（typ）；,开关接通时间：（typ）；,开关断开时间：（typ）。,3.1 模拟多路开关,三、常用的模拟多路开关集成芯片,2.CD4051,CD4051采用16脚双列直插式封装。CD4051为8通道单刀结构形式，它允许双向使用（多到一或一到多的输出切换）。内含二进制译码器，可以由三根地址线A，B，C及控制线 的状态来选择8路中的一路，(低电平)，芯片使能。,3.1 模拟多路开关,三、常用的模拟多路开关集成芯片,2.CD4051,3.1 模拟多路开关,三、常用的模拟多路开关集成芯片,2.CD4051,CD4

10、051有很宽的数字和模拟信号电平，数字信号为315V，模拟信号峰峰值为15V。当，输入范围为15V时，其导通电阻为；当 时，其断开时的漏电流为，静态功耗为。,3.1 模拟多路开关,四、模拟多路开关的选用,模拟多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其它路断开，从而达到信号切换的目的。在多路开关选择时，常要考虑下列问题：1.泄漏电流：通过断开的模拟开关的电流，用IS表示。会导致输出端误差电压。如果传输的是电流量，并且信号源内阻很大，要考虑误差电压的影响。2.通道数量：通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响。因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电

11、流通常也越大，尤其是在使用集成模拟开关时，尽管只有其中一路导通，但由于其它模拟开关断开时，只是处于高阻状态，仍存在漏电流对导通的那一路产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。,3.1 模拟多路开关,四、模拟多路开关的选用,3.切换速度：对于需传输高速信号的场合，要求多路开关的切换速度高，当然也要考虑后一段采样保持和A/D的速度，从而以最优的性能价格比来选取多路开关的切换速度。4.开关电阻：理想状态的多路开关导通电阻为零，而断开电阻为无穷大，但实际的模拟开关无法到这个要求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。另外，多路开关参数的漂移

12、性及每路电阻的一致性也需作考虑。,3.1 模拟多路开关,一、两种基本运算放大电路,1.反相放大器增益：AvfV0/ViRf/R 可见这是一种近似比例运算，反相放大器的输入电阻和输出电阻均减少，这在具体使用时，尤其在与传感器配合使用时，是个值得注意的问题。2.同相放大器增益为：AvfV0/Vi1Rf/R 因此同相放大器的放大倍数大于1，至少等于1。,3.2 测量放大器,注意：同相放大器引入了共模电压，因此需要高共模抑制比的运放才能保证精度，从减少误差的角度来看，同相放大器不如反相放大器广泛，但其输入电阻增加，输出电阻减少。,电压跟随器为同相放大的特例，在低频时其放大倍数接近1，具有高输入阻抗和低

13、输出阻抗，因此常在信号处理中用作阻抗变换器。,一、两种基本运算放大电路,3.2 测量放大器,在数据采集系统中，被检测的物理量经过传感器变换成的模拟电信号，往往是很微弱的信号(例如热电偶的输出信号)，需要用放大器加以放大。现在市场可以采购到的各种放大器(如通用运算放大器、测量放大器等)中，由于通用运算放大器一般都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温漂，因此，通用运算放大器不能直接用于放大微弱信号，而测量放大器则能较好地实现此功能。测量放大器是一种带有精密差动电压增益的放大器件，由于它具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，使其在检测微弱信号的系统中被广

14、泛用作前置放大器。,二、测量放大器,3.2 测量放大器,其增益为：,二、测量放大器,3.2 测量放大器,1.原理,二、测量放大器,3.2 测量放大器,1.原理,特点：同相输入保证了高输入电阻；只要A1A2性能对称，漂移将大大减少；低输出阻抗；高共模抑制比；高增益，对微小的差模电压很敏感；适用于测量远距离传 输过来的信号，因而十分适合与传感器配合使用。,二、测量放大器,3.2 测量放大器,2.主要技术指标,（1）非线性度 非线性度是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。非线性偏差随增益的增加而增加。例如：当增益为1时，如果一个12位AD转换器有0.025的非线性偏差，当增益为500时，非

15、线性偏差可达到0.1，相当于把12位AD转换器变成10位以下转换器，故在选择测量放大器时，一定要选择非线性度偏差小于0.025的测量放大器。,二、测量放大器,3.2 测量放大器,2.主要技术指标,（2）温度漂移 温度漂移是指测量放大器输出电压随温度变化而变化的程度。通常测量放大器的输出电压会随温度的变化而发生的变化，这也与测量放大器的增益有关。例如，一个温漂 的测量放大器，当其增益为1000时，测量放大器的输出电压产生约20mv的变化。这个数字相当于12位AD转换器在满量程为10v的8个LSB值。所以在选择测量放大器时，要根据所选AD转换器的绝对精度尽量选择温漂小的测量放大器。,二、测量放大器

16、,3.2 测量放大器,2.主要技术指标,（3）建立时间 建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。,二、测量放大器,3.2 测量放大器,2.主要技术指标,（3）建立时间 测量放大器的建立时间随其增益的增加而上升。当增益200时，为达到误差范围，往往要求建立时间为，有时甚至要求高达 的建立时间。可在更宽增益区间采用程序编程的放大器，以满足精度的要求。,二、测量放大器,3.2 测量放大器,2.主要技术指标,（4）恢复时间 恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器内饱和状态恢复到最终值所需的时间。显然，放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采

17、样速率。（5）电源引起的失调 电源引起的失调是指电源电压每变化1，引起放大器的漂移电压值。测量放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。,二、测量放大器,3.2 测量放大器,2.主要技术指标,（6）共模抑制比 放大器的差模增益为AVd，共模增益为AVc，则共模抑制比可用下式计算：,CMRR越大越好。例如AD521K的CMRR在增益为1000时达120dB。CMRR也是放大器增益的函数，它随增益的增加而增大。,二、测量放大器,3.2 测量放大器,3.集成测量放大器AD521及其应用,AD521采用14脚双列直插式封装，其引脚功能如图。引脚O

18、FFSET(4，6)用于调整放大器零点，调整线路是芯片4、6端接到10K电位器的两固定端，电位器滑动端接负电源U-(脚5)。,二、测量放大器,3.2 测量放大器,3.集成测量放大器AD521及其应用,引脚Rs(10，13)用于外接电阻Rs，该电阻用于对放大倍数进行微调。选用时，可以得到比较稳定的放大倍数。,引脚（2，14）用于外接调整放大倍数的电阻。测量放大器的放大倍数，其数值可在11000内调整。,二、测量放大器,3.1 测量放大器,3.集成测量放大器AD521AD522及其应用,二、测量放大器,3.2 测量放大器,3.集成测量放大器AD521AD522及其应用,二、测量放大器,3.2 测量

19、放大器,3.集成测量放大器AD521及其应用,AD521与热电偶信号的连接方式如图。在使用AD521(或任何其它测量放大器)时，要特别注意为偏置电流提供回路。如果没合回路，偏置电流就会对杂散电容充电，使输出电压漂移得不可控制。因此，当用测量放大器处理来自热电偶、变压器或交流耦合源的输入信号时，必须使输入端对地有一条通路。为此，AD52l输入端(1或3)要直接或通过电阻与电源的地线构成回路。,在模拟信号送到模数变换系统时，为减少转换误差，一般希望送来的模拟信号尽可能的大，然而，当被测参量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟信号变化也较大，在这种情况下，如果单纯采用一个放大倍数的放大器，就无法满足

20、上述要求，在进行小信号转换时，可能会引入较大的误差。为了解决这个问题，工程上长采用通过改变放大器放大倍数增益的方法，来实现不同幅度信号的放大。,3.3 程控增益放大器,如图为一利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关K1闭合，而其余两个开关断开，其放大倍数为 同理，K2闭合，其余两个开关断开时的放大倍数为。选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换，如果利用软件对开关闭合情况进行选择，即可实现程控增益放大。,3.3 程控增益放大器,利用了CD4051的反向传输功能，当计算机送出不同的ABC信号组合时，Vi信号将从Y0Y7的某一端口输出，而每一输出端口配置的反馈电阻不相同，

21、从而实现了可变增益放大。比如ABC组合为101时，Vi将从Y5端口输出，而ABC组合为001时，Vi将从Y1端口输出。,3.3 程控增益放大器,一、模拟信号的采样,数据采集系统的目的是利用计算机的强大数据处理能力来处理数据。计算机是一种纯数字设备，而被采集的各种物理量一般都是连续模拟信号。因此，在研究开发数据采集系统时，首先遇到的问题是：传感器所测量到的连续模拟信号怎样转换成离散的数字信号？,3.4 采样/保持器,连续的模拟信号转换成离散的数字信号，需要经历两个过程：（1）时间离散；（2）数值离散。,一、模拟信号的采样,3.4 采样/保持器,一、模拟信号的采样,3.4 采样/保持器,xs(nT

22、s),0,TS,2TS,TS,采样信号;,采样时刻,采样时间；,采样周期。,一、模拟信号的采样,1.采样定理 低通型信号采样定理：对一个低通型信号，假设其频谱为，如果以 的间隔对其进行等间隔采样得到采样信号，则该低通信号可以由采样信号无失真的恢复。即,3.4 采样/保持器,一、模拟信号的采样,1.采样定理 带通型信号采样定理：对一个带通型信号，假设其频谱为，如果以 的间隔对其进行等间隔采样得到采样信号，则该低通信号可以由采样信号无失真的恢复。其中,3.4 采样/保持器,一、模拟信号的采样,3.4 采样/保持器,2.关于采样定理的讨论（1）采样定理不适用的情况：一般来说，低通采样定理在fs=2f

23、c时是不适用的。,一、模拟信号的采样,3.4 采样/保持器,2.关于采样定理的讨论（1）采样定理不适用的情况：一般来说，低通采样定理在fs=2fc时是不适用的。,一、模拟信号的采样,3.4 采样/保持器,2.关于采样定理的讨论（2）频率混淆及其克服：低通采样定理严格地规定了采样时间间隔的上限，如果Ts取的过大，将会发生中的高频成分被叠加到低频成分上去的现象，这种现象称为频率混淆。例如：如某连续信号中含有频率为900Hz，400Hz及100Hz的成分，若以fs=500Hz进行采样，高频信号(900Hz及400Hz)的采样值，构成了个虚假的低频成分折叠到原低频(100Hz)波形的采样值上，从而使原

24、低频波形的采样值发生失真。,一、模拟信号的采样,3.4 采样/保持器,2.关于采样定理的讨论（2）频率混淆及其克服：为减小频率混淆，可采用两种方法：对频域衰减较快的信号。可用提高采样频率的方法来解决。但是，Ts也不能过小。Ts过小，不仅增加计算机内存占用量和计算量，还会使频域的频率分辨率下降过多。对频域衰减较慢的信号，可采用消除频混滤波器来解决。即在采样前，用一截止频率为w的消除频混滤波器，先将信号低通滤波，将不需要的高频成分滤掉，然后再进行采样和数据处理。这种方法既实用又简单。消除频混滤波器是一个低通滤波器，应有良好的截止特性。比较理想的是多阶有源RC巴特沃斯(Butterworth)滤波器

25、。,一、模拟信号的采样,3.4 采样/保持器,2.关于采样定理的讨论（2）频率混淆及其克服：表是根据大量的实验总结出来的一些物理量的经验采样周期值，可供读者在实际应用中参考。,一、模拟信号的采样,3.4 采样/保持器,2.关于采样定理的讨论（3）采样控制方式：模拟信号x(t)的采样控制方式有以下4种：无条件采样：当采样一开始，模拟信号x(t)的第一个采样点的数据就被采集。然后，经过一个采样周期，再采集第二个采样点数据，直到将一段时间内的模拟信号的采样点数据全部采完为止。优点：要求的硬件和软件最简单；适用于采集任何形式的模拟信号；易于实现信号波形的显示。缺点：如果信号频率较高，对信号的采样时间间

26、隔很短时，每个采样点数据的采集、量化、编码、存储在一个采样时间间隔内完成很困难。,一、模拟信号的采样,3.4 采样/保持器,2.关于采样定理的讨论（3）采样控制方式：条件采样：程序查询方式：CPU不断地询问ADC的状态，了解是否转换结束。当需要采样时，CPU发出启动A/D转换的命令，等到A/D转换结束后，由第一输入通道将结果取入内存，然后CPU再向A/D转换器发出转换命令，等到A/D转换结束后，由第二通道将结果取入内存，直至所有通道采样完毕；如果A/D转换未结束，则CPU等待，并在等待中做定时查询，直到A/D转换结束为止。优点：要求的硬件少，编程也简单。缺点：程序查询常常浪费CPU的时间，使其

27、利用率不高；需确知A/D转换所需的时间；系统实时性不高。,一、模拟信号的采样,3.4 采样/保持器,2.关于采样定理的讨论（3）采样控制方式：条件采样：中断控制方式：采用中断方式时，CPU首先发出启动A/D转换的命令，然后继续执行主程序。当A/D转换结束时，则通道接口向CPU发出中断请求，请求CPU暂时停止工作，来读取转换结果。当CPU响应A/D转换器的请求时，便暂停正在执行的主程序，自动转移到读取转换结果的中断服务子程序中。在执行完读取转换结果的服务子程序后，CPU又回到原来被中断的主程序继续执行下去。优点：CPU的效率高，很强的实时处理能力。缺点：系统复杂，中断源过多时，CPU效率下降。,

28、一、模拟信号的采样,3.4 采样/保持器,2.关于采样定理的讨论（3）采样控制方式：直接存储器存取(DMA)方式：DMA方式是一种由硬件完成数据传送操作的方式。在DMA控制器控制下，数据直接在外部设备和存储器MEM之间进行传送，而不通过CPU和IO，因而可以大大提高数据的采集速率。,DMA方式传送数据的速度最快，但其硬件花费较高。,一、模拟信号的采样,3.4 采样/保持器,2.关于采样定理的讨论（3）采样控制方式：采样控制方式的分类归纳如下：,无条件采样：仅适于AD转换快，且要求CPU与AD转换器同时工作。,条件采样,采样,查询采样：用于系统只采集几个模拟信号的场合。中断控制采样：用于系统要同

29、时采集数据和控制的场合。,DMA方式采样：用于高速数据采集。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,问题：,模拟信号进行 AD 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AD转换时保持住输入信号电平，在AD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。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,1.采样保持器原理：采样/保持器是指在输入逻辑电平控制下处于“采样”或“保持”两种工作状态的电路。在“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着前一次采样结束时刻的瞬

30、时输入模拟信号，直至进入下一次采样状态为止。通常，采样保持器用作锁存某一时刻的模拟信号，以便进行数据处理(量化)或模拟控制。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,1.采样保持器原理：组成：模拟开关、存储元件(保持电容)和缓冲放大器。工作原理：驱动信号为采样电平时，K导通，模拟信号Vi通过K向CH充电，输出Vo跟踪输入模拟信号的变化；当驱动信号为保持电平时，K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A的作用是把CH和负载隔离。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,2.采样保持器的性能参数,(1)孔径时间(tAP)：采样保持电路中，由于逻辑控制的开关有一

31、定的动作时间，保持命令发出后直到逻辑输入控制的开关完全断开所需要的时间，称孔径时间。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,2.采样保持器的性能参数(1)孔径时间(tAP)：如果保持命令与A/D转换命令同时发出，由于孔径时间的存在，所转换的值将不是保持值，而是在孔径时间内的一个输入信号的变化值，这将影响转换精度。当输入信号频率低时，对精度影响较小。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AD转换。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,2.采样保持器的性能参数(2)孔径时间不定性(tAP)：它是孔径时间的变化范围。孔径时间使采样时刻延迟。如果延迟时间不变，则对总的采样结果的精

32、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。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,2.采样保持器的性能参数(3)捕捉时间(tAC)；采样保持器处于保持模式时，当发出采样命令后，采样保持器的输出从所保持的值到达当前输入信号的值所需的时间。包括逻辑输入控制开关的延时时间、达到稳定值的建立时间及保持到终值的跟踪时间等，该时间影响采样频率的提高而对转换精度无影响。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,2.采样保持器的性能参数(4)保持电压的下降：在保持模式时，由于保持电容器的漏电，使保持电压值不是恒值，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：,为了使

33、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。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,2.采样保持器的性能参数(5)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。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,2.采样保持器的性能参数(6)采样到保持的偏差：指采样最后值与建立保持时的保持值之间的偏差电压。该误差是不可估计的，它与输入信号有关。(7)电荷转移偏差：在保持状态时，电荷通过寄生电容转移到保持电容器上引起的。可通过加大保持电容器的容量克服，但后果将增加响应时间。,3.系统采集速率与采样保持器的关系,（1）不用采样保持

34、器时,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,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，,由于在正弦信号过零时，t=n，|cos(n)|=1，所以,3.系统采集速率与采样保持器的关系,（1）不用采样保持器时,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,而在AD转换时间tCONV内，输入的正弦信号电压最大变化率可能为,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,3.系统采集速率与采样保持器的关系,（1）不用采样保持器时,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,结论：系统可采集的最

35、高信号频率受AD转换器的位数和转换时间的限制。,【例】已知AD转换器ADC0804的转换时间tCONV=100s（时钟频率为640kHz），位数n=8，允许信号变化为LSB2，计算系统可采集的最高信号频率。,解：,3.系统采集速率与采样保持器的关系,（1）不用采样保持器时,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,如果在AD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,3.系统采集速率与采样保持器的关系,（2）用采样保持器时,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,结论：因为tAP一般远远小于AD转换

36、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。,【例】用采样保持器芯片AD582和AD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=100s（时钟频率为640kHz），计算系统可采集的最高信号频率。,解：,3.系统采集速率与采样保持器的关系,（2）用采样保持器时,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,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,3.系统采集速率

37、与采样保持器的关系,（2）用采样保持器时,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,4.采样保持器集成电路（1）AD585：AD585采用DIP14封装，内部结构与引脚如图。AD585是低成本的单片采样保持放大器。它由高性能的运算放大器、低漏电流的模拟开关和FET集成放大器组成。片内有保持电容和匹配电阻，精度高而且使用方便。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,4.采样保持器集成电路（1）AD585：AD585的主要性能参数如下：采样时间：3us；泄漏速率：1mV/ms；失调电压：3mV；抖动时间：0.5ns；外部温度：-55+125C；片内保持电容；

38、片内匹配电阻；电源：+-12V或+-15V。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,4.采样保持器集成电路（1）AD585：AD585组成的增益为1的采样保持电路如图所示。由于片内有保持电容，一般情况下不必外接电容，除非有特殊需要。要求较高时，可以外接10K欧的调零电位器。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,4.采样保持器集成电路（2）LF398：LF398是一种反馈型采样保持放大器，是目前较为流行的通用型采样保持放大器。它是由场效应管构成的，具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高的特点。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,4.采样保持器集成电路（2）LF398：LF398由输入

39、缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。图中A1、A2是跟随器，主要作用是阻抗变换，控制电路中A3主要起到比较器的作用。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,4.采样保持器集成电路（2）LF398：,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K闭合，输入信号经A1后跟随输出到A2,再由A2的输出端跟随输出，同时向保持电容(6端)充电;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器仍保持原来输入的目的。,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,4.采样保持器集成电路（2）LF398：LF398的主要性能参数如下：反馈型采样保

40、持放大器；可与TTL、PMOS、CMOS兼容；低输入漂移，保持状态下输入特性不变；片内无保持电容；工作电压：518V；采样时间：10us；当保持电容为0.01uF时，典型保持步长为0.5mV；增益误差：0.002；泄漏速率：3mV/ms（typ）；失调电压：7mV；,二、采样/保持器,3.4 采样/保持器,4.采样保持器集成电路（2）LF398：LF398的典型应用电路如图。此时，逻辑控制电压从引脚8输入，当输入高电平时，LF398进行采样；当输入低电平时，LF398保持采样值不变。,3.5 有源滤波器,对不同频率的信号具有选择性的电路称为滤波器，它只允许某些特定频率的信号通过，同时又衰减或抑

41、制另一些频率的信号。过去的滤波器都是由R、L、C等无源元件组成，称为无源滤波器，现在已经很少使用。目前的低频滤波器大都是由R、C元件与有源器件（如运算放大器）组成，称为RC有源滤波器。常见滤波器的类型有低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器，全通滤波器等。除此之外，还有程控有源滤波器MAX261/262。,3.5 有源滤波器,一、RC有源低通滤波器,低通滤波器允许低频信号通过，而衰减或抑制高频信号。理想低通滤波器的模频特性如图虚线所示，为截止频率。,3.5 有源滤波器,一、RC有源低通滤波器,RC有源低通滤波器电路,所以：,又,电压传输函数为,模为,3.5 有源滤波器,二、RC有源高通

42、滤波器,高通滤波器允许高频信号通过，而衰减或抑制低频信号。理想高通滤波器的模频特性如图中虚线所示，为截止频率。,3.5 有源滤波器,二、RC有源高通滤波器,RC有源高通滤波器电路,由图可求得电压传输函数为：,其模为：,3.5 有源滤波器,三、RC有源带阻滤波器,带阻滤波器衰减或抑制某一频率范围内的信号，而允许此频率范围以外的频率的信号通过。理想带阻滤波器的模频特性如图中虚线所示，与 分别为上、下截止频率。,3.5 有源滤波器,三、RC有源带阻滤波器,由图可求得电压传输函数为：,其模为：,3.5 有源滤波器,四、RC有源带通滤波器,带通滤波器允许某一频率范围内的信号通过，而衰减或抑制此频率范围以

43、外的频率的信号。理想带通滤波器的模频特性如图中虚线所示，与 分别为上、下截止频率。,3.5 有源滤波器,四、RC有源带通滤波器,由图可求得电压传输函数为：,其模为：,3.5 有源滤波器,五、微处理器程控有源滤波器,程控有源滤波器,3.5 有源滤波器,五、微处理器程控有源滤波器,MAX261/262的引脚见见上图，引脚名的最后一个字母表示其所属第几个滤波单元，如A表示第一单元，B表示第二单元。引脚名的前几个字母表示其功能，其中LP为低通输出，BP为带通输出，HP为高通/带阻/全通输出。IN为输入，A为编程输入数据地址位，D为输入数据位，CLK为时钟输入，OSC OUT可与晶振或RC构成时钟输入，

44、WR为写允许输入，OPIN与OP OUT分别为自由运放的输入和输出端，V+为正电源，V-为负电源，电源电压为2.376.3V之间。,3.5 有源滤波器,五、微处理器程控有源滤波器,1、滤波器工作模式选择,在MAX261滤波单元中，可采用几种方式配置加法放大器和积分器，通过将编程模式字M写入芯片内存来选择模式，下面简要介绍一下各模式的用途。模式1：可以构成巴特沃思、切贝雪夫、贝塞尔滤波器，实现全极点低通和带通滤波器。由于相对零点位置固定，只能构成二阶带阻滤波器，此模式与模式4支持高时钟频率。模式2：用来构成全极点低通和带通滤波器，和模式1相比，优点在于能够获得更高的Q值和低噪声输出。模式3：用来

45、构成高通滤波器，最高时钟频率略低于模式1。模式4：是仅有的一种产生所有信号输出的模式。在实现群延迟均匀化时，非常有用。除此之外，它可以用于所有点的低通和带通滤波器中。和方式1一道，是最快的滤波器，但增益和方式1有点差别。,3.5 有源滤波器,五、微处理器程控有源滤波器,2、滤波器设计步骤,MAXIM公司为MAX260系列滤波器提供了设计软件，可以大大的简化设计过程。第一步，决定所需滤波器的类型(巴特沃思、切贝雪夫等)及最佳选择的极点数，片与片之间可通过级联获得更高阶数的滤波器，程序将绘制出频响图并计算出每个二阶单元的f0和Q值，当不采用设计软件时，应注意f0、fCLK和Q应满足表1中的要求。第

46、二步，根据第一步中计算的f0和Q计算出每个二阶单元编程系数N(对应于f0和Q有两个值)，并选择输入时钟频率和滤波器运行模式M。第三步，通过PC机的并行打印口将编程系数N和M通过ASCII字符的形式写入滤波器。,3.5 有源滤波器,五、微处理器程控有源滤波器,2、滤波器设计步骤,对于MAX261/262，表1给出典型时钟和中心频率限制。由于模式2中fCLKf0减少为其它模式的12，所采用函数与模式1，3，4中不同。模式1，3，4中 fCLKf0=(64+N)/2，Q=64/(128-N)模式2中 fCLKf0=1.11072*(64+N)，Q=90.51/(128-N),3.5 有源滤波器,五、微处理器程控有源滤波器,2、滤波器设计步骤,表 典型时钟和中心频率限制,