采样保持器(SHA)

如何通过前端将PC声卡变成高速采样示波器作者：Doug Mercer有多种软件包可以使个人计算机(PC)中的立体声声卡提供类似示波器的显示，但低采样速率、高分辨率模数转换器(ADC)和交流耦合前端最适合20 kHz及以下的可用带宽。

现在，这种有限的带宽可以扩展——针对重复波形，可以在声卡输入前使用一个采样前端。

利用高速采样保持器(SHA)对输入波形进行二次采样，然后通过低通滤波器重建波形，并使其平滑，可以有效延展时间轴，使PC能够用作高速采样示波器。

本文描述一种能够实现这种改造的前端和探头。

图1所示为一个插入式附件的原理图，它可以配合典型PC声卡采样使用。

每个示波器通道使用一个高速采样保持放大器AD783。

SHA的采样信号由时钟分频器电路的数字输出提供，下文将通过一个例子说明。

AD783输入由一个FET缓冲，因此可以使用简单的交流/直流输入耦合。

在所示的两个通道中，当直流耦合跳线开路且输入为交流耦合时，1 MΩ电阻（R1和R3）提供直流偏置。

采样输出由图中所示的双极点有源RC网络低通滤波。

该滤波器不必是一个有源电路，但所示的滤波器能够提供有益的缓冲低阻抗来驱动PC声卡输入。

图1. 双通道模拟采样电路AD783 SHA提供高达数MHz的可用大信号带宽。

输入端的有效压摆率约为100 V/µs以上。

采用±5 V电源时，输入/输出摆幅至少为±3 V。

对于500 mV p-p以下的摆幅，小信号3 dB带宽接近50 MHz。

利用图1所示的前端电路以及采用Visual Analyser1软件的PC 声卡，可以得到一个以1 MHz频率重复的2 MHz单周期正弦波，如图2的屏幕截图所示。

采样时钟以80.321 kHz的采样速率提供250 ns宽的采样脉冲。

这里的有效水平时基为333 ns/分频比。

例子中使用的PC声卡采用SoundMax®编解码器，其采样速率为96 kSPS。

采样保持器采样保持器计算机系统模拟量输入通道中的一种模拟量存储装置。

它是连接采样器和模数转换器的中间环节。

采样器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取出被处理信号的值。

采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。

在模数转换器工作期间采样保持器一直保持着转换开始时的输入值，因而能抑制由放大器干扰带来的转换噪声，降低模数转换器的孔径时间，提高模数转换器的精确度和消除转换时间的不准确性。

一般生产过程控制计算机的模拟量输入可能是每秒几十点、几百点，对于大型系统甚至上千点,往往需要高速采样(如5000～10000点／秒)。

为使这些模拟量信号逐个地送到模数转换器，而不至降低被测信号的真实性，必须采用采样保持器。

在低速系统中一般可以省略这种装置。

原理采样保持电路由模拟开关、存储元件和缓冲放大器A组成。

在采样时刻，加到模拟开关上的数字信号为低电平，此时模拟开关被接通，使存储元件（通常是电容器）两端的电压UB随被采样信号UA变化。

当采样间隔终止时，D变为高电平,模拟开关断开,UB则保持在断开瞬间的值不变。

缓冲放大器的作用是放大采样信号，它在电路中的连接方式有两种基本类型：一种是将信号先放大再存储，另一是先存储再放大。

对理想的采样保持电路，要求开关没有偏移并能随控制信号快速动作，断开的阻抗要无限大，同时还要求存储元件的电压能无延迟地跟踪模拟信号的电压，并可在任意长的时间内保持数值不变。

光栅的组成结构和检测原理光栅是一种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，制成的光学元件。

数控机床上用的光栅尺，是利用两个光栅相互重叠时形成的莫尔条纹现象，制成的光电式位移测量装置。

按制造工艺不同可分为透射光栅和反射光栅。

透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透明的线纹制成的，线纹密度可达到每毫米100条以上；反射光栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，利用反射光进行测量，其刻线密度一般为每毫米4～50条。

MT-007TUTORIAL 孔径时间、孔径抖动、孔径延迟时间——正本清源作者：Walt Kester简介在ADC和采样保持器(SHA)的技术规格中，误解最深、滥用最多的可能是那些包含“孔径”的规格。

图1给出了一个简单的模型，SHA最基本的动态特性是它能够快速断开保持电容与输入缓冲放大器的连接。

一直以来，这一动作所需的极短（但非零）时间间隔称为“孔径时间”（或“采样孔径”）t a。

此间隔结束时电压保持的实际值取决于输入信号压摆率和开关操作本身引入的误差。

图1显示对两个任意斜率的输入信号（分别标为1和2）应用保持命令时的情况。

为清楚起见，采样保持基底误差和开关瞬态忽略不计。

最终保持的值是输入信号的延迟版本，并且是开关孔径时间范围内的平均值。

该一阶模型假设，保持电容上的最终电压值约等于应用于开关的信号在开关从低阻抗变为高阻抗的时间间隔(t a)内的平均值。

图1：采样保持波形和定义该模型显示，开关断开所需的有限时间(t a)相当于在驱动SHA的采样时钟中引入一个小延迟t e。

此延迟为常数，可以是正值，也可以是负值。

图中显示，两个信号虽然斜率不同，但适用同一t e值。

此延迟t e称为“有效孔径延迟时间”、“孔径延迟时间”或“孔径延迟”。

在ADC中，孔径延迟时间参考转换器的输入，必须考虑通过输入缓冲器的模拟传播延迟t da 和通过开关驱动器的数字延迟t dd的影响。

以ADC输入为基准，孔径时间t e'定义为前端缓冲器的模拟传播延迟t da与开关驱动器数字延迟t dd的时间差加上孔径时间的一半t a/2。

有效孔径延迟时间通常为正值，但如果孔径时间的一半t a/2与开关驱动器数字延迟t dd之和小于通过输入缓冲器的传播延迟t da，则它也可以是负值。

因此，孔径延迟规格确定了输入信号相对于采样时钟沿的实际采样时间。

孔径延迟时间可以通过如下方法来测量：对ADC应用一个双极性正弦波信号，然后调整同步采样时钟延迟时间，使得ADC的输出为中间电平（对应于正弦波的零交越点），输入采样时钟沿与输入正弦波实际零交越点之间的相对延迟即为孔径延迟时间，如图2所示。

1、实验分类：实验特征：室内台架试验，汽车试验场试验，实际的道路试验。

实验对象：整车试验，总成与大系统试验，零部件试验。

试验目的：质量试验，新产品定型试验、科研实验。

2、室内台架试验：不受环境的影响，可以24小时不停地进行，特别适合于汽车性能的对比试验和可靠性、耐久性试验3、汽车试验场试验：重视原因是汽车试验场上可以设置各种不同的路面，如扭曲路面、比利时砌石路面、高速环道、汽车性能试验专用跑道等。

由于在汽车试验场上可以进行高强化水平的试验，因此可以大大的缩短试验周期。

4、汽车道路试验系统：由数据采集与数据处理系统和各种不同类型的传感器组成，可满足汽车动力性、经济性、制动性及操纵稳定性等各项性能中全部项目的试验要求。

5、汽车试验用仪器设备发展的重要特征：自动化程度高、功能集成、在试验室内再现各种试验环境、高精度高效率。

6、测量四要素：被测对象、计量单位、测量方法、测量误差7、试验系统的特性指系统的输出y （t ）---被测量与输入x(t)---测试结果的关系。

8、静态特性：若被测量x(t)不随时间变化或随时间缓慢变化时，系统的输出y(t)与输入x(t)之间的关系9、动态特性：若被测量x(t)随时间的变化而变化，系统的输出y(t)与输入x(t)之间的关系10、评价静态特性的指标：灵敏度、分辨率、重复性、回程误差、线性度、漂移11、动态系统的性质：叠加性*、比例性、微分性、积分性、频率保持性*12、传递函数：拉普拉斯变换()()())(01110111s X b s b s b s b s Y a s a s a s a m m m m n n n n ++++=+++---- 传递函数)()()(s X s Y s H =。

①传递函数中没有输入x(t)项，即它与系统的输入无关②传递函数中的各系数11,,,--m m n n b b a a 等是由系统结构特征决定的，系统结构和类型不同， 其取值也不同③传递函数是根据适合任何线性系统的微分方程式得到的，因此它适合于各类系统。