❝在数据采集中,经常会遇到一些微弱的微伏级信号，例如热电偶的输出信号，需要用放大器加以放大。
❞
「目前市场上的放大器有以下特点。」
「
「电路原理如图所示。」
「
「两个技术问题：」
「1. 测量放大器的增益」
放大输出电压：
为提高共模抑制比和降低温漂影响，测量放大器采用对称结构，即取 ，则
「由上式可知，调节外接电阻的大小，可以改变测量放大器的增益。」
「2. 抗共模干扰能力」
「⑴」 「对直流共模信号，其抑制比为无穷大。」
「⑵」 「对交流共模信号，由于输入信号的传输线存在线阻 和分布电容 分别对地构成 回路。」
「如下图所示。」
当 时，交流共模信号在两运放输入端产生分压 ，所以 ，对输入信号产生影响。
「抑制交流共模信号干扰措施：」 在其输入端接一个保护电路，并将信号线屏蔽。
当 时，由于屏蔽层和信号线间对交流共模信号是等电位的，故 的分压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。
「1.」 「非线性度」
「非线性度」 「——」 放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。
「非线性度与增益有关，且对数据采集精度影响很大。」
「结果：」 相当于把 位 转换器变成 位以下的转换器。
「结论：」 一定要选择非线性度偏差小于 的放大器。
「2.」 「温漂」
「温漂」 「——」 测量放大器输出电压随温度变化的程度。
「例如：」 一个温漂 的测量放大器，当增益为 时，测量放大器的输出电压产生约 的变化。这个数字相当于 位 转换器在满量程为 的 个最低有效位 值( 位误差)。故应尽量选择温漂小的测量放大器。
「3.」 「建立时间」
「建立时间」 「——」 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。
「建立时间随着增益的增加而上升。」
「当增益 时，为达到误差范围 ，往往要求建立时间为 ～ 。」
「4.」 「恢复时间」
「恢复时间」 「——」 指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。
「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样速率。」
「5.」 「电源引起的失调」
「电源引起的失调」 「——」 电源电压每变化 ，引起放大器的漂移电压值。
「该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。」
「6.」 「共模抑制比」
放大器对差模信号的电压放大倍数 与对共模信号的电压放大倍数 之比，共模抑制比 可用下式计算：
「
「1. AD521」
「 是集成测量放大器，采用 脚双列直插式封装。」
「AD521基本连接如下图所示。」
「引脚4，6用于调整放大器零点，将4，6端接到10KΩ电位器两个固定端;」
「电位器滑动端接负电源U-（脚5）。」
「引脚10，13用于外接电阻 ，用于对放大倍数进行微调。」
「当 时，可以得到比较稳定的放大倍数。」
「引脚2，14用于外接电阻 ，用于调整放大倍数。可在1～1000的范围内调整。」
「测量放大器的放大倍数：」
「AD521芯片的使用示例」
「AD521」与变压器信号、 热电偶信号和交流耦合信号的连接如下图所示。输入端「1」或「3」直接或通过电阻与电源的地线构成回路，防止偏置电流对杂散电容充电，使输出电压漂移得不到控制。
「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。」
「采样/保持器的一般结构形式如图所示」。
「工作原理如下：」
在 时刻前，控制电路的驱动信号为高电平，模拟开关 闭合，模拟信号 通过模拟开关加到电容 上，使得 端电压 跟随 变化而变化。
在 时刻，驱动信号为低电平，模拟开关 断开，此时电容 上的电压 保持模拟开关断开瞬间的 值不变并等待 转换器转；
而在 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 重新闭合， 端电压 又跟随 变化而变化；
时刻，驱动信号为低电平时，模拟开关 断开，......。
「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。
「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。
「采样/保持器主要起以下两种作用：」
「按结构分为两种类型：」
「1.串联型」
串联型采样/保持器的结构如下图。
和 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。
是模拟开关，由控制信号电压 控制其断开或闭合。 是保持电容器。
「优点：」 结构简单
「缺点：」
「2.反馈型」
反馈型采样/保持器的结构如下图所示。
其输出电压反馈到输入端，共同组成一个跟随器。
开关有互补的关系： 闭合， 断开。
「作用：」
当 闭合， 断开时， 和 共同组成一个跟随器，采样/保持器工作于跟随状态。
此时，保持电容 的端电压为
式中 和 分别为 和 的失调电压。
当 断开， 闭合时，采样/保持器工作于保持状态。
此时， 的端电压保持在 断开瞬间的 值上，使
「优点：」
「缺点：」
「1.孔径时间 」
「孔径时间 ——」 「保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。」
「如下图所示。」
由图可知，在 后的输出还有一段波动，经过一定时间 后才保持稳定。
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 转换。
「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。」
「2.孔径不定 」
「孔径不定 —— 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。
「3.捕捉时间 」
「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。」
捕捉时间不影响采样精度，但对采样频率的提高有影响。
「4.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：」
「式中 —— 保持电容 的漏电流。」
为了使保持状态的保持电压的变化率不超过允许范围，须选用泄露小的优质电容。
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。
「5.馈送」
「馈送 —— 指输入电压 的交流分量通过开关 的寄生电容 加到 上，使得 的变化引起输出电压 的微小变化。」
交流分量引起的误差。
保持电容器 ，馈送 ，但不利于采样频率的提高。
「6.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。
「7.电荷转移偏差」
「电荷转移偏差 —— 指在保持状态时，电荷通过开关的寄生电容转移到保持电容器上引起的误差。」
保持电容器 ，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。
「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。」
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。
设模拟信号如图所示。
「对正弦信号采样，在 内，模拟信号电压的最大变化率发生在正弦信号过零时，」
则 ，由于在正弦信号过零时， ， ，所以
而在 转换时间 内，输入的正弦信号电压最大变化率可能为：
由此可得出：
一个 位的 转换器能表示的最大数字为 ，设它的满量程电压为 ，则它的”量化单位“或最小有效位 所代表的电压为：
如果在转换时间 内，正弦信号电压的最大变化不超过 所代表的电压，则在 条件下，数据采集系统可采集的最高信号频率为:
如果正弦信号电压的最大变化不超过 所代表的电压，则数据采集系统可采集的最高信号频率为：
「由上述式子可看出，系统可采集的最高信号频率受 转换器的位数和转换时间的限制。」
「例题：」
转换器型号为 ，转换时间为 (时钟频率为 )，位数 ，允许信号变化为 ，系统可采集的最高信号频率。
「解：」
如果在 转换器前面加一个采样/保持器，这样就变成在 内，即在采样/保持器孔径时间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，如果正弦信号的电压最大变化不超过 所代表的电压，则在 位 转换器前加上采样/保持器后，系统可采集的信号最高频率为：
如果正弦信号的电压最大变化不超过 所代表的电压，则在 位 转换器加上采样/保持器后，系统可采集的信号最高频率为：
因为孔径时间 一般远远小于 转换器转换时间 ，故加上采样/保持器后的系统可采集的信号最高频率要远大于未加采样/保持器的系统。
「例题：」
用采样/保持器 和 转换器 组成一个采集系统，已知 孔径时间 ， 转换时间为 （时钟频率为 ），位数 ，计算系统可采集的最高信号频率。
「解：」
应该指出，一个有限带宽模拟信号可以在某个采样频率下重新恢复而不丧失任何信息，该采样频率至少应 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必须在速率至少为 倍的信号频率下采样、转换，并采集下一个点，因此，系统可处理的最高输入信号频率为：
式中， 为采样/保持器捕捉时间； 为采样/保持器最大孔径时间（包括抖动时间）； 为 转换器转换时间。
「例题：」
用采样/保持器 和 转换器 组成一个采集系统，已知 捕捉时间 ，孔径时间 转换时间为 （时钟频率为 ），位数 ，计算系统可采集的最高信号频率。
「解：」
相比于 和 ，可忽略，故
常用的集成采样/保持器有多种，下面只介绍其中的一种。
「 」
是通用型采样/保持器。其管脚及结构示意如图所示。
「 的特性如下：」
「反馈型采样/保持器」
保持电容接在运放 的 脚和 脚上。根据“密勒效应”，这样的接法相当于在 的输入端接有电容：
外接较小的电容可获得较高的输入电容。
「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，每次数据采集过程包括采样和 转换两个过程。
采样/保持器和 转换器各完成一次动作所需要时间之和应小于采样周期 。即
其中 为采样/保持器捕捉时间； 为采样/保持器设定时间；
「选用采样/保持器应注意的问题」
① 与规定误差范围有关，也与采样/保持器所选的保持电容 有关。 的大小应与 转换器的分辨率配合。
在 ，精度为 时， 。
在 时，精度为 时， 。
位 转换器的相对分辨率等于 ，与之相配的采样/保持器的误差带可取为
位 转换器的相对分辨率等于 ，则应取采样/保持器的相对误差带为
② 采样/保持器的保持电压下降率对A/D转换器输入端的电压稳定度有影响。
为了保证数据采集精度，应使在 转换时间 内，保证电压下降不超过 ，即保持电压下降率为：
当根据 定出 后，可按公式校核 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 ，允许的孔径误差 ，则孔径时间 应满足下式：
或
「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。
「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。
「解决方法：」
「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。
「例如：」
，若保持电容是 ，设寄生电容为 ，当逻辑信号输入端加一个 的跳变信号，使采样/保持器从跟踪模式 保持模式，由于寄生电容的影响，相当于在模拟输入端增加 的输入信号，从而引起输出误差。
「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。
