引 言
数据收集体系的前向通道一般是由三部分组成的： 传感器， 信号扩大电路和模数转化器（ADC） 。 逐次比较式的模数转化器是试验机操控体系的数据收集模块及其它工业数据收集体系常选用的模数转化器L在规划这类数据收集体系时， 一项重要的使命是挑选模数转化器（ADC） 的采样频率。 依据采样理论， 信号的采样频率至少应为输入信号带宽的两倍，实践往往选用更高的采样频率来确保数据收集体系的精度。 但当逐次比较式ADC 的采样频率过高时，会导致ADC 转化差错过大。这是因为这类ADC 的采样坚持部分是选用开关电容阵列的结构。 这种结构是靠信号扩大电路的输出电压对其内部的开关电容阵列进行充电， 即ADC 的采样阶段。 然后对电容阵列的电压值进行坚持及转化得到对应的数字量L而对开关电容阵列进行充电需求必定时刻， 假如ADC 的采样时刻过短， 会导致ADC 内部的开关电容阵列并未彻底充电， 即此刻ADC 采得电压值低于实践电压值。 然后导致后边转化成果与实践差错过大而无效。 因而采样时刻有必要能确保开关电容阵列的充沛充电， 才干确保采样值的精度。而开关电容阵列的充电时刻取决于信号扩大电路的输出电阻和ADC 的转化位数。 本文推导出ADC 的采样时刻与信号扩大电路输出阻抗的匹配联系， 在确保ADC的转化精度下， 得到不同转化位数ADC 的最佳采样频率。
模仿输入电路的剖析
测控体系的传感器和信号扩大电路常常选用差动式扩大器和运算扩大器改换电路等组成， 依据戴维南原理（Thven in’s theo rem ） ， 可将其简化成一个扩大后的等效电压信号源。 而逐次比较式ADC 的开关电容阵列结构， 在其采样期间， 等效于一个等效电容经过一个等效内部电阻与信号源相连L因而整个前向通道可等效并简化为图1。 图1 的等效电路对本文所剖析T i 公司的TLC54X， TLC154X 和TLC254X 系列的逐次比1 较式ADC 都是有用的。
因为对图1 中ADC 的等效电容C i 的充电是呈指数改变， 见图2依据理论剖析， 充电时刻越长， 其上的电压U c 仅仅无限接近于等效信号源的电压U s为坚持必定采样频率， 在以下的剖析中， 假定当等效电容C i 上的电压值达到了1/16 L SB 的差错规模之内， 即算其进行了彻底充电L因为在此采样差错下，再把其它的内部差错， 如DNL 和NL 一同核算进来， 可把一共的转化差错操控在 1/2 L SB 之内。
以图1 的等效电路为例， 在开关电容的充电时刻内， 从0 V 到等效信号源的电压值， 并在1/16L SB 差错规模L其核算公式如下：
式中：U c 为等效电容上的采样电压;U s 为等效信号源的电压; R t 为R s + R i; R s 为等效信号源的输出电阻; R i 为ADC 的等效内部电阻; T C 为等效电容的充电时刻。
等效电容在1？16 L SB 差错规模内的的电压为
其间N 为ADC 转化精度的位数
将式（2） 代入式（3） ， 得
其间时刻常数T C = R t C i因而一个8 位ADC 中开关电容的充电时刻为8。 32 倍的时刻常数。表1将显现各种位数的ADC 的充电时刻。由上述核算进程可知，ADC 输入采样时刻（T s）有必要大于或等于其等效开关电容充电的时刻常数，方可确保ADC 采样值不超越1/16 的L SB 的差错。
［page］在试验机测控体系中采样时刻的核算及比较
为了验证上述等效模型的有用性， 本文选用试验机测控体系等速加载来试验， 见图3。体系中的ADC 为TLC2543， TLC2543 是12 位精度SP I 接口的串行ADCL由TLC2543 数据手册可知， 其前8个I/O clock 为采样时刻。在第12 个I/O clock 的下降沿开端AD 转化。因而其采样时刻为
其间f I/O 为TLC2543 的I/O clock 频率。
由表1 知12 位的TLC2543 的充电时刻及公式（5）。
在Ci = 100 （pF） 及R i = 1 （kΩ） 时， 另测得信号扩大电路的输出R s = 2 1 （kΩ）
为确保TLC2543 的采样差错在1/16 L SB 之内， 单片机提供给TLC2543 的f I/O 不该高于2。 325MHz。当单片机提供给TLC2543 的f I/O 分别为4MHz 和2MHz 时， 其等速加载的操控成果见图4 和图5。
由图4 可见， 因为其f I/O 大于2。 325 MHz，TLC2543 的内部等效电容充电不彻底， 因而采样差错较大， 然后操控质量较差。图5 中f I/O 小于2。 325MHz， TLC2543 的内部等效电容充电彻底， 确保了其采样差错在1/16 L SB 之内， 因而其操控质量较好。
总 结
经过简化测控体系前向通道的等效模型， 阐明了怎么操控逐次比较式ADC的采样频率与等效信号源的输出阻抗匹配， 然后确保ADC 的采样差错在1/16L SB 之内L。并经过试验比照， 验证了其有用性。
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