Устройства выборки - хранения

Пензенская государственная технологическая академия 

Кафедра ИПТ 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат на тему: 

«Устройства выборки - хранения.» 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент гр. 06в4

Дудукин С.В.

        Проверил:         Власов Г.С. 
 
 
 
 
 

2009

Устройства выборки - хранения

В аналоговой технике элементами памяти, т.е. аналоговыми запоминающими устройствами, являются устройства выборки и хранения (УВХ) и амплитудные (пиковые) детекторы. Функция памяти состоит в хранении на запоминающем конденсаторе в течение некоторого времени мгновенного значения входного напряжения. Как правило, УВХ ставятся непосредственно перед АЦП и выполняют следующие функции: n аналого-цифровое преобразование быстро-переменных сигналов на достаточно медленных АЦП (т.к. изменение входного сигнала во время преобразования может привести достаточно большой погрешности) См. также подраздел апертурная задержка. n в режиме аналого-цифрового преобразования АЦП отключается от остальной схемы и подключен только к конденсатору УВХ, который в этом случае является еще и фильтрующим. Т.е. достигается лучшая помехозащищенность. n если осуществлять выборку сигнала стробирующими импульсами постоянной длительностью, соизмеримой с временем RCхр, то это эквивалентно фильтрации входного сигнала фильтром с определенной передаточной характеристикой (по форме передаточная характеристика аналогична цифровым фильтрам). Схема простейшего УВХ представлена на Рис. 1. В режиме выборки УВХ повторяет входной сигнал, а затем по команде запоминает его мгновенное значение и переходит в режим хранения. Режим выборки амплитудных детекторов имеет место, когда входное напряжение становится больше входного. Обычно переход от УВХ к амплитудному детектору осуществляется заменой управляемых ключей диодами.

Рис. 1 Схема простейшего УВХ

В режиме выборки (или слежения) выходной сигнал УВХ с максимально возможной скоростью достигает значения входного сигнала и затем отслеживает его до тех пор, пока не поступит команда на хранение. С этого момента УВХ будет хранить значение входного сигнала, которое было на выходе в момент поступления команды на хранение. Иногда УВХ называют устройствами слежения и хранения, если основную часть времени в их работе занимает режим выборки, т.е. слежения за изменениями входного сигнала. Как видно из Рис. 1 в режиме выборки разница между входным и выходным напряжением УВХ определяется степенью неидеальности ключа и отличием от 0 входного сопротивления R_ВХ. В режиме хранения напряжение на запоминающем конденсаторе C_ХР изменяется из-за протекания тока утечки ключа, тока утечки конденсатора и тока через выходные цепи УВХ ( через нагрузку). В зависимости от условий эксплуатации УВХ минимальный ток разряда конденсатора может быть получен при использовании МДП-транзистора, либо полевого транзистора с управляемым переходом. Ток утечки полевых транзисторов с управляемым переходом существенно возрастает при высокой температуре. Хотя у МДП-транзистора меньше чувствительность тока утечки к изменению температуры, однако величина этого тока больше, чем у полевого транзистора. Последнее объясняется наличием тока утечки между каналом и подложкой. Эти составляющие тока утечки протекают в цепь истока или затвора или в обе цепи в зависимости от напряжения смещения на электродах. Кроме того, МДП-транзисторы имеют значительный ток утечки между истоком и стоком. Обе составляющие тока утечки МДП-транзистора минимальны, если разность напряжений на его электродах близка к нулю. Поэтому некоторые схемы УВХ строят таким образом, чтобы в режиме хранения обеспечить разность потенциалов на ключе близкую к нулю.Кроме того, из-за наличия емкости С_ЗИ или С_ЗС при переходе из режима выборки в режим хранения дополнительную энергию получает С_ХР. Увеличение напряжения на конденсаторе носит название коммутационной ошибки. Коммутационная ошибка обратнопропорциональна емкости конденсатора хранения. Т.е. при уменьшении емкости хранения коммутационная ошибка увеличивается. Причем коммутационная ошибка не может быть скомпенсирована ни регулировкой напряжения смещения ОУ, ни подачей на конденсатор компенсирующего напряжения. Это обусловлено тем, что емкости С_ЗС и С_ЗИ зависят от уровня входного сигнала ( если U_ВХ изменяется от -10В до +10В емкость С_ЗС +С_ЗИ изменяется в 2..3 раза). Для компенсации коммутационной ошибки, нужно использовать схемы в которых напряжения затвор-исток застабилизировано. Тогда коммутационная ошибка будет постоянна и её можно скомпенсировать, например, регулировкой напряжения смещения ОУ. Также при переходе из режима выборки в режим хранения неидеальность конденсатора приводит к появлению погрешности, связанной с диэлектрической поляризацией. Как правило, быстродействие и точность УВХ имеют противоположный характер зависимости от емкости запоминающего конденсатора. С одной стороны, конденсатор с меньшей емкостью можно быстрее зарядить, а с другой - конденсатор с большей емкостью более точно и более долго хранит напряжение. В каждой из известных схем УВХ достигнут определенный компромисс между точностью и быстродействием, отражающий степень совершенства самой структуры УВХ и правильности выбора параметров и режимов работы его элементов. Для определения наилучшей (при выдвинутых требованиях и реальных ограничениях) структуры необходимо знать предельные возможности каждой, что требует установления оптимальных параметров ее элементов.

     При сборе информации и ее последующем преобразовании часто бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в некоторый момент времени. Некоторые типы аналогово-цифровых преобразователей, например, последовательного приближения, могут давать совершенно непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал не зафиксирован во время преобразования. При смене входного кода цифро-аналоговых преобразователей из-за неодновременности установления разрядов наблюдаются выбросы выходного напряжения. Для устранения этого явления на время установления также следует зафиксировать выходной сигнал ЦАП. Устройства выборки - хранения (УВХ) (слежения - хранения), выполняющие эту функцию, должны на интервале времени выборки (слежения) повторять на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении режима на хранение сохранять последнее значение выходного напряжения до поступления сигнала выборки. Схема простейшего УВХ приведена на рис. 2а. 

Рис. 2. Устройство выборки - хранения 

     Когда ключ S замкнут, выходное напряжение схемы повторяет входное, т.е. U_вых = U_вх (рис. 2б). При размыкании ключа Uвых сохраняет свое значение, последнее перед размыканием. Выходной повторитель на ОУ препятствует разряду конденсатора хранения С_хр на нагрузку схемы. Входное сопротивление повторителя должно быть как можно больше, поэтому обычно применяют ОУ с полевыми транзисторами на входе.

     Простейшая схема УВХ имеет ряд недостатков:

• При замкнутом ключе источник входного сигнала имеет значительную емкостную нагрузку. Если источником является ОУ, это обычно приводит к его самовозбуждению.
• ОУ с полевыми транзисторами на входе, применяемые в качестве буферных повторителей, имеют значительное смещение нуля.

     Эти недостатки во многом устранены в ИМС устройства выборки - хранения LF398 (отечественный аналог - 1100СК2), которая в течение многих лет была по существу промышленным стандартом. Функциональная схема этой ИМС приведена на рис. 3. Здесь схема имеет общую отрицательную обратную связь, охватывающую всю схему - с выхода усилителя ОУ₂ на вход усилителя ОУ₁. 

Рис. 3. Функциональная схема УВХ 1100СК2 

     Когда коммутатор находится в замкнутом состоянии, потенциал выхода операционного усилителя ОУ₁ вследствие действия общей отрицательной обратной связи устанавливается таким, что Uвых отличается от U_вх на величину напряжения смещения ОУ₁. При этом смещение, возникающее из-за наличия коммутатора и ОУ₂, сводится к нулю. Диоды в этом состоянии схемы заперты, так как падение напряжения на них, равное указанному смещению, достаточно мало (<= 20мВ). При размыкании коммутатора управляющим сигналом выходное напряжение остается неизменным. Резистор R₁ и диоды предотвращают насыщение ОУ₁, которое могло бы возникнуть из-за размыкания общей отрицательной обратной связи в этом режиме. Это снижает время переходного процесса при замыкании коммутатора. Усилитель ОУ₁ обеспечивает высокое входное сопротивление УВХ. Он выполнен по схеме с биполярными транзисторами на входе, что легко позволяет получить смещение нуля схемы в пределах 5 мВ. Резистор R2 ограничивает ток заряда конденсатора хранения.

Основные характеристики УВХ:

Точностные характеристики

1. Напряжение смещения нуля U_см, определяемое практически смещением нуля ОУ₁.
2. Дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости С_хр

     d U_вых / d t= I_р / С_хр,

     где I_р - ток разряда конденсатора. Он складывается из токов утечки конденсатора и коммутатора, а также из входного тока усилителя ОУ₂.

     При заданном токе утечки величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости конденсатора С_хр. Однако это ухудшает динамические характеристики схемы.

Динамические характеристики

1. Время выборки tв определяет, как долго при самых неблагоприятных условиях длится процесс заряда конденсатора хранения до величины входного напряжения с заданным уровнем допуска. Это время пропорционально емкости С_хр. Перевод УВХ в режим хранения до окончания интервала выборки чреват значительными ошибками.
2. Апертурная задержка t_а. Это период между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием последовательного коммутатора.

     В табл. 1 приведены основные характеристики некоторых типов УВХ, выпускаемых промышленностью. 

Таблица 1

     Примечания:

1. - Схр =1000 пФ;
2. - до точности 0,1%;
3. - до точности 0,01%;
4. - встроенный конденсатор хранения

Литература 

1. Лидовский В.И. Теория информации. - М., «Высшая школа», 2002 г. - 120 с.
2. Метрология и радиоизмерения в телекоммуникационных системах. Учебник для ВУЗов. / В.И. Нефедов, В.И. Халкин, Е.В. Федоров и др. - М.: Высшая школа, 2001 г. - 383 с.