信号转换结束时与一开始会有不同吗？(图)

将来自“真实”世界的模拟信号转换为可在上游处理的数字信号是电子系统的一项基本功能，从记录到物联网 (IoT)、工业物联网 (IIoT)，再到现在的智能物联网 (AIoT)。但是，为了有效地使用和实施，我们需要对其基本原理和操作步骤有一定的了解，而这往往被人们所忽视。

例如，假设应用到模数转换器 (ADC) 输入的典型模拟信号的幅度不断变化，那么在转换前信号究竟是如何“保持”然后“采样”的？信号转换的结束和开始之间有区别吗？这种幅度变化或偏差会导致严重的误差，尤其是对于需要更多时间来转换信号的高分辨率 ADC。设计师面临的挑战是理解和消除这种错误来源。

本文介绍如何使用 ADC 的采样保持 (S&H) 或采样保持 (T&H) 电路来防止幅度偏移。S&H（或 T&H）电路执行真正的输入采样，并在输入抗混叠低通滤波器和 ADC 之间运行。本文讨论了 S&H IC 的特性和选择标准，并介绍了具有集成 S&H 的 ADC。为了便于描述，我们使用了来自德州仪器、Maxim Integrated 和 Analog Devices 的样本，这些样本针对不同的应用具有不同的特性。

采样和保持电路在 ADC 中的作用

当非直流信号施加到 ADC 的输入端时，它的幅度会不断变化。然而，模数转换过程需要一个时间间隔，在此期间ADC输入的幅度会发生变化（图1）。正是这种幅度偏差会导致潜在的严重错误。

图 1：由于数字化期间输入信号幅度的变化（底部）导致的 ADC 幅度误差（顶部）。（图片来源：Digi-Key Electronics）

此时，防止 ADC 中的幅度偏差变成了如何对信号进行采样并在转换过程中保持固定幅度的问题。这可以通过为 ADC 使用 S&H 或 T&H 电路来实现（图 2）.

图 2：S&H（左）电路和 T&H（右）电路的主要区别在于跟踪周期的持续时间：即 S&H 更短，T&H 更长。（图片来源：Digi-Key Electronics）

两种类型的电路都对输入信号进行采样，并在转换过程中保持采样电压恒定。T&H 电路输出（右）跟踪输入信号，直到发出采样信号；然后在 ADC 转换期间保存采样值。S&H 的采样孔径较短，其输出是一系列采样电平（左）。T&H 和 S&H 的主要区别在于跟踪间隔的持续时间：即 S&H 更短，T&H 更长。两个电路都依靠快速开关来隔离连接到信号输入的存储电容器。在本文的其余部分，S&H 将用于指代 S&H 或 T&H。

S&H 级执行真正的输入采样，并在输入抗混叠低通滤波器和 ADC 之间运行。低通滤波器执行抗混叠频带限制，并且必须先于 S&H，以便在采样之前对信号进行频带限制以防止混叠（图 3）.

图 3：在数字化仪信号路径中，S&H 放置在抗混叠低通滤波器和 ADC 之间。（图片来源：Digi-Key Electronics）

请注意，S&H 之前的信号都是模拟的。S&H 的输出是馈送到 ADC 的采样波形。

典型的 S&H 设备

Texas Instruments LF398MX/NOPB S&H 集成电路 (IC) 框图显示了基本电路配置（图 4）。S&H 使用快速开关和高质量电容器实现。对于 LF398MX/NOPB，电容器在外部IC。当开关闭合时，电容器充电到输入信号电压电平。当开关打开时，电容器保持这个电压，直到它被 ADC 数字化。这个 S&H 使用双 FET 技术，结合了一个 FET与双极晶体管一起，快速采样（小于 6 微秒 (µs)，幅度误差为 0.01%）。内部放大器缓冲器切换和保持电容器。

S&H 的采样时间取决于保持电容的值通用技术电路图知识点，范围从 0.001 到 0.1 微法 (µF)。外部保持电容器必须具有低介电吸收和低泄漏。推荐使用聚苯乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯电容器。

图 4：Texas Instruments LF398MX/NOPB S&H 框图显示了关键组件：快速开关和外部保持电容器。（图片来源：德州仪器）

S&H 特点

S&H 设备有许多用于描述其操作的特定术语（图 5）.

图 5：常见 S&H 动态特性的定义包括采样时间、稳定时间、孔径时间和幅度下降。（图片来源：Digi-Key Electronics）

采样时间是从切换到采样模式到 S&H 开始跟踪输入信号的时间。它是保持电容值和开关到信号路径的串联电阻的函数。当模式返回保持时，设备停止跟踪输入并开始保持值之前可能会有延迟 – 这是孔径时间。孔径时间是驱动器和开关传播延迟的函数。孔径不确定性或抖动是由于时钟变化和噪声导致的孔径时间差异。

一旦进入保持模式，在进入该模式和器件的保持值稳定在误差范围内之间会有一段时间。这个时间就是所谓的建立时间或保持建立时间。在建立时间的某些部分，开关驱动器和保持电容之间可能包含不必要的电荷转移；这被称为保持跳跃或基座错误。保持转换的幅度通常在毫伏 (mV) 范围内，通过将满量程信号保持尽可能高，可以将其影响降至最低。

S&H 的最短采样周期是采样时间、孔径时间和稳定时间的总和。最大可能的采样率是采样时间、孔径时间和稳定时间之和的倒数。

在保持模式下，S&H 保持值可能会由于保持电容的泄漏而降低。这种电压升高称为电压降。通常表示为以 mV/sec 为单位的下降率。

S&H 配置

S&H IC 有多种配置可供选择，以满足各种应用需求。以需要差分输入的应用为例，例如连接加速度计、应变仪或光学电流监视器等差分输出传感器。Maxim Integrated DS1843D+TRL 是适合该应用的 S&H IC 的一个很好的例子（图 6）.

图 6：如该典型工作电路所示，Maxim Integrated DS1843+TRL 是一款差分 S&H，使用双保持电容器进行差分采样。（图片来源：Maxim Integrated）

DS1843+TRL 用于典型的光线路传输应用，用于突发模式接收信号强度指示器 (RSSI) 测量。Maxim Integrated DS1842/MAX4007 是一款电流监视器，可镜像来自连接到其基准输入的雪崩光电二极管的电流。输出电流直接通过电阻 RIN 并将其转换为电压。然后由 DS1843 差分测量电压，包括一个全差分采样开关和电容器 CS 以及一个差分输出缓冲器。此 S&H 使用两个 5 皮法 (pF) 电容器，一个连接到正差分输入，另一个连接到负差分输入。低电容值确保快速采样时间。该器件的快速采样时间小于 300 纳秒 (ns)。

市售设备可以在单个 IC 封装中容纳四个或八个 S&H 电路。例如，Analog Devices 的 SMP04ESZ-REEL Quad S&H。SMP04ESZ-REEL 是一款 CMOS 器件通用技术电路图知识点，在通用封装中包含四个 S&H 电路，采样时间为 7 µs，下降率仅为 2 mV/s（图 7）.

图 7 还显示了如何将 S&H 与数模转换器 (DAC) 一起使用，在这种情况下，可以防止由于 DAC 中的代码转换而导致的输出瞬态或毛刺。

图 7：Analog Devices SMP04 Quad S&H 由四个带有匹配缓冲放大器的独立 S&H 电路组成。所示电路使用 SMP04 将 DAC 的输出多路复用到四个通道。（图片来源：模拟设备）

图中，SMP04用于复用DAC的输出，将单个DAC输出分成四个复用通道。S&H 电路可用于在毛刺后选择性地延迟 DAC 的输出，从而平滑 DAC 的输出。

通过对多路复用输入进行流水线化，可以使用多个 S&H 电路来提高 ADC 的吞吐量。在这里，有多个 S&H 一起连接到多路复用器输出。ADC 连接到一个 S&H，它保持转换的输入电平。其他 S&H 获得其他多路复用器通道，这些通道依次连接到 ADC，而第一个 S&H 可以自由连接到另一个多路复用器通道。这种流水线技术消除了 ADC 信号路径中的 S&H 采样时间。

许多 ADC 在其集成封装中集成了 S&H 或 T&H 电路。例如，德州仪器 (Texas Instruments) 的 ADC121S021CIMFX 是一款 12 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC，内置 T&H，采样速率为每秒 50 至 200 千样本 (kS/s)。它采用高速串行输出总线，简化了布线布局（图8）.

图 8：Texas Instruments ADC121S021 是一款 12 位单通道 SAR ADC，具有内置 T&H 电路。（图片来源：德州仪器）

该 ADC 是许多集成 ADC 电路的典型代表，因为它具有内部 T&H，可简化印刷电路板布局并有助于最大限度地减少组件数量。外部 T&H 电路用于特殊配置，例如差分输入连接、多路复用输入，或者当 ADC 没有内部 T&H 或 S&H 电路时。

总结

从录音到最先进的 IIoT 或 AI 分析，将模拟信号转换为数字信号是最基本的电子功能，需要特别注意 S&H 或 T&H 电路。为了最大限度地减少模数转换期间的电压偏差，这些电路至关重要，因为它们在转换过程中保持 ADC 的输入电压恒定。S&H 可以位于 ADC 内部或外部，但必须位于抗混叠低通滤波器和 ADC 之间的信号路径中。如前所述，有多种配置可以满足各种设计应用需求，每款IC也有单通道、差分或多通道的选择。还可以扩展应用，以防止由于 DAC 中的代码转换而导致的输出瞬变或毛刺。