信号采样与保持技术探析

传感器输出的信号采样是把连续时间信号变成离散时间序列的过程，采样是数模转换，即将模拟信号转换为数字信号并输入计算机进行处理的理论基础。采样过程是以等时距的单位脉冲序列乘以连续时间信号来实现的，其中的单位脉冲序列称为采样信号。采样信号的周期或者采样间隔的选择是一个重要的问题。若采样间隔太小（采样频率高），当处理时间长度一定的信号时，若采集的数字序列将会迅速增大，并使计算机的工作量快速增加，如果计算机只能处理一定长度的数字序列时，采集时间将会很有限，不能反映需要处理信号的准确特征，产生较大的误差；若采样间隔过大（采样频率低），则可能丢掉有用的信息。

如图4-32所示，图4-32a中A曲线为被采样曲线，根据某一频率采样得到点1、2、3、4四个采样值，但是，仅根据这4个点不能分清曲线A、B和C的差别，很容易将曲线B、C误认为曲线A。图4-22b中是用过大的采样间隔T_s对两个不同频率的正弦波进行采样，结果得到一组相同的采样值，无法辨识两者的差别，将其中的高频信号误认为某种相应的低频信号，出现了混叠现象。

图4-32 混叠现象

为了避免频率混淆，首先进行抗混叠滤波预处理，即应使被采样的模拟信号成为有限带宽的信号。对不满足此要求的信号，应先使其通过模拟低通滤波器滤去高频成分成为有限带宽信号。其次，采样信号应满足式（4-28），即采样频率f_s要大于有限带宽信号的最高频率f_h的2倍，即

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式（4-28）即为采样定理。

信号采样一般由数模转换元件完成，在进行数模转换时，从启动变换到变换结束后输出数字量需要的时间，称为孔径时间。由于孔径时间的存在，当输入信号频率过高时，会带来较大的转换误差，因此，需要采样保持器在数模转换开始时将信号电平保持住，而在本次数模转换结束时能迅速开始下次采样。图4-33是采样保持器的原理图。

图4-33 采样保持器的原理图

采样保持器由存储电容C，模拟开关S等元件组成。当S接通时，输出信号与输入信号同步，该阶段为采样阶段。当S断开时，电容C两端电压为断开电压，该阶段为保持阶段。为了使采样保持器具有较高的精度，一般需要在输入级和输出级之间加入缓冲器以减小信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗。电容的大小和时间常数需要适中，并要求泄漏量较小。