信号采样与存储电路

㈠ 数字存储示波器的原理

数字存储示波器有别于一般的模拟示波器，它是将采集到的模拟电压信号转换为数字信号，由内部微机进行分析、处理、存储、显示或打印等操作。这类示波器通常具有程控和遥控能力，通过GPIB接口还可将数据传输到计算机等外部设备进行分析处理。其工作过程一般分为存储和显示两个阶段。在存储阶段，首先对被测模拟信号进行采样和量化，经A/D转换器转换成数字信号后，依次存入RAM中，当采样频率足够高时，就可以实现信号的不失真存储。当需要观察这些信息时，只要以合适的频率把这些信息从存储器RAM中按原顺序取出，经D/A转换和LPE滤波后送至示波器就可以观察的还原后的波形。
普通模拟示波器 CRT 上的 P31 荧光物质的余辉时间小于 1ms。在有些情况下，使用 P7 荧光物质的 CRT 能给出大约 300ms 的余辉时间。只要有信号照射荧光物质，CRT 就将不断显示信号波形。而当信号去掉以后使用 P31 材料的 CRT 上的扫迹迅速变暗，而使用 P7 材料的 CRT 上的扫迹停留时间稍长一些。那么，如果信号在一秒钟内只有几次，或者信号的周期仅为数秒，甚至信号只猝发一次，那又将会怎么样呢？在这种情况下，使用我们上面介绍过的模拟示波器几乎乃至于完全不能观察到这些信号。所谓数字存储就是在示波器中以数字编码的形式来贮存信号。当信号进入数字存储示波器，或称 DSO 以后，在信号到达CRT 的偏转电路之前（图1），示波器将按一定的时间间隔对信号电压进行采样。然后用一个模/数变换器（ADC）对这些采样值进行变换从而生成代表每一个采样电压的二进制字。这个过程称为数字化。获得的二进制数值贮存在存储器中。对输入信号进行采样的速率称为采样速率。采样速率由采样时钟控制。对于一般使用情况来说，采样速率的范围从每秒 20 兆次（20MS/s）到 200MS/s。存储器中贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形。所以，在DSO中的输入信号接头和示波器 CRT 之间的电路不只是仅有模拟电路。输入信号的波形在 CRT 上获得显示之前先要存贮到存储器中，我们在示波器屏幕上看到的波形总是由所采集到数据重建的波形，而不是输入连接端上所加信号的直接波形显示。

㈡ 采样保持器中存储电容的作用

可以将电容分为四类： 第一类： AC耦合电容。主要用于Ghz信号的交流耦合。 第二类： 退耦电容。主要用于保持滤除高速电路板的电源或地的噪声。 第三类： 有源或无源RC滤波或选频网络中用到的电容。 第四类： 模拟积分器和采样保持电路中用到的电容。 电容重要分布参数的有三个：ESR、ESL、EPR。其中最重要的是ESR、ESL，实际在分析电容模型的时候一般只用RLC简化模型，即分析电容的C、ESR、ESL。 1、等效串联电阻ESR RESR ：电容器的等效串联电阻是由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相串联构成的。当有大的交流电流通过电容器，RESR使电容器消耗能量(从而产生损耗)。这对射频电路和载有高波纹电流的电源去耦电容器会造成严重后果。但对精密高阻抗、小信号模拟电路不会有很大的影响。RESR 最低的电容器是云母电容器和薄膜电容器。 2、等效串联电感ESL，LESL ：电容器的等效串联电感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。像RESR 一样，LESL 在射频或高频工作环境下也会出现严重问题，虽然精密电路本身在直流或低频条件下正常工作。其原因是用于精密模拟电路中的晶体管在过渡频率(transition frequencies)扩展到几百兆赫或几吉赫的情况下，仍具有增益，可以放大电感值很低的谐振信号。这就是在高频情况下对这种电路的电源端要进行适当去耦的主要原因。 3、等效并联电阻EPR RL ：就是我们通常所说的电容器泄漏电阻，在交流耦合应用、存储应用(例如模拟积分器和采样保持器)以及当电容器用于高阻抗电路时，RL 是一项重要参数，理想电容器中的电荷应该只随外部电流变化。然而实际电容器中的RL 使电荷以RC时间常数决定的速率缓慢泄漏。 选择电容标准是： 1、尽可能低的ESR电容。 2、尽可能高的电容的谐振频率值。 电解电容器(比如：钽电容器和铝电解电容器)的容量很大，由于其隔离电阻低，就是等效并联电阻EPR很小，所以漏电流非常大 (典型值5〜20nA/μF)，因此它不适合用于存储和耦合。电解电容比较适合用于电源的旁路电容，用于稳定电源的供电。最适合用于交流耦合及电荷存储的电容器是聚四氟乙烯电容器和其它聚脂型(聚丙烯、聚苯乙烯等)电容器。单片陶瓷电容器比较适合用于高频电路的退耦电容

采样是对连续变化的模拟信号定时测量,抽取样值.通过采样,一个在时间上连续变化的模拟信号就转换为随时间变化的脉冲信号.

为了便于量化和编码,需要将每次采样取得的样值暂存,保持不变,直到下一个采样脉冲的到来

简单的说就是实现模数转换时的必须的抽样-保持电路 称为采样保持器.

按这个标准 如果不需要实现模数转换 处理模拟信号的电路 在输入端不需要采样保持器.

如果信号源提供的为模拟信号 信号处理电路时数字电路 那么输入接口就必须要这个了.

(2)信号采样与存储电路扩展阅读：

S/H 有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。在采样方式中，采样-保持器的输出跟随模拟量输入电压变化。在保持状态时，采样-保持器的输出将保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤销(即再度接到采样命令) 时为止。

此时，采样一保持器的输出重新跟踪输入信号变化，直到下一个保持命令到来时为止。

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。

通常，采样保持器与采样器、放大器和模数转换器一起构成模拟量输入通道,用于工业过程计算机系统或数据采集系统。现场信号（如温度、压力、流量、物位、机械量和成分量等被测参数）经过信号处理（标度变换、信号隔离、信号滤波等）送入采样器。

在控制器控制下对信号进行分时巡回和多路切换选择，然后经放大器和采样保持电路再送入模数转换器，转换成计算机能接受的二进制数码。