16. Устройства выборки-хранения (запоминания). Назначение, основные режимы работы и нормируемые параметры. Классификация увх.
УВХ широко применяются в системах аналого-цифрового преобразования и ввода сигналов в ЭВМ, иэмерительных преобразователях и приборах и т.д. Основное назначение УВХ - выборка мгновенного значения аналогового сигнала и его хранение (запоминание)в течение некоторого промежутка времени, определяемого периодом выборки, т.е. выполнение операций стробирования .
УВХ необходимы для уменьшения динамических погрешностей, возникающих при дискретизациии изменяющихся во времени непрерывных сигналов. Их работа основана на принципе фиксации мгновенного значения сигнала на время, необходимое для последующего преобразования в АЦП. В большинстве случаев для этого используют различные сочетания накопительного конд-ра, аналоговых ключей и усилительных каскадов.
Связь
между максимальной частотой входного
синусоидального
сигнала fMAX
,временем
преобразования
АЦП tпр
и
его разрешающей
способностью
или разрядностью n
описывается
выражением
,
если в схеме УВХ-АЦП, то апертурная
погрешность устраняется и
.С
помощью УВХ устраняются выбросы и
мерцания,но УВХ несет свою собственную
погрешность.
Классификация.
По принципу построения УВХ подразделяют: 1)на аналоговые (без преобразования входного сигнала в цифровой код),2) цифровые(с преобр-ем сигнала в цифровой код) и 3) комбинированные (аналого-цифровые).
По способу взятия отсчета: 1) со стробированием перемножением (входным сигналом модулируется последовательность стробирующих импульсов произвольной в опр-х пределах формы), 2) со стробированием прямоугольным импульсом (входной сигнал прерывается послед-тью прямоугольных стробирующих импульсов длительностью tСТРОБ).
По соотношению времени tСТРОБ и постоянной времени заряда τЗ накопительного конденсатора УВХ разделяются на УВХ с интегрированием на интервале стробирования и УВХ с малой постоянной времени цепи заряда запоминающего конденсатора.
Наиболее быстродействующие УВХ разомкнутого типа.
Цикл работы: выборка (аналоговый ключ замкнут и идет заряд запоминающего конд-ра), переход к запоминанию, хранение(аналоговый ключ разомкнут и идет разряд запоминающего кон-ра), переход к выборке.
Параметры:
1) Время выборки (время для заряда запоминающего конденсатора до UВХ c заданной погрешностью)
2)Время хр-я(с момента окончания запоминания до величины погрешности)
3)Время установления в режиме выборки(время для установления UВЫХ в стационарном режиме с заданной погрешностью)
4)Время установления в режиме хранения(время для установления UВЫХ в режиме хранения с заданной погрешностью)
5)Апертурное время (имеется неопределенность привязки выборки к моменту времени)
17. Увх на диодных мостовых ключах. Увх на ключах на полевых транзисторах. Основные параметры и характеристики.
Диодные ключи позволяют весьма быстро производить переключение напряжения и точно переключать токи. Однако в чистом виде УВХ с диодными ключами используется редко, к.т. неидеальность фронтов стробирующего напряжения и значение входного напряжения довольно существенно влияют на апертурное время. Чаще всего используется УВХ со стробируемым генератором тока на биполярных транзисторах.
Здесь
в качестве генераторов тока используются
транзисторы T1
и T2,
включающиеся
небольшими перепадами напряжения от
парафазного усилителя -1(сигналы
расходятся на выходе на 180º), который
сам управляется перепадами напряжения
логических элементов ТТЛ-типа. Исходные
режимы генераторов тока задаются
стабилитронами Д1
и
Д2,
а
также резистором R1.
При
условии
1
и Е>Uвх
max
динамическая погрешность определяется
процессом запирания ключа (диодного
моста), т.е. переходом УВХ из режима
выборки в режим запоминания. Но время
переключения существенно меньше, чем
в обычном диодном ключе, т.к. для закрывания
генераторов тока напряжение Uэб
нужно уменьшить незначительно 0,3-0,6 В.
Высокая крутизна фронтов обусловлена
эмиттерным способом управления. Это
допускает сравнительно небольшую
крутизну фронта управляющего перепада
напряжения и обеспечивает небольшую
апертурную неопределенность.
Диапазон вх-х сигн-в зав-т от +/-E и управляющих цепей транзисторов.
При fд=20МГц и длительности фронта стробирующего напряжения 10нс в диапазоне Uвх=+/- 3В статическая погрешность менее 1% и время апертурной неопределенности менее 2нс.
Основной недостаток таких схем – необходимость подбора режимов работы генераторов тока и параметров их транзисторов (нужны комплиментарные пары), точное совпадение токов обоих генераторов.
Для улучшения параметров УВХ используется форсирование заряда Сн большим дополнительным током от постороннего источника. Это позволяет использовать Сн большой емкости (5000пФ) , что решает противоречие – Сн должно быть не большим, чтобы обеспечить малую погрешность недозаряда, а с другой стороны – достаточно большой, чтобы обеспечить малые погрешности перекл-я и спада вых-го напр-я.
Еще лучше параметры обесп-ют стр-ры с ОС, уменьшающие погреш-ти слежения (спада Uн в процессе хранения). Сущ-но повысить стабильность коэф-та передачи (уменьшить спад Uвых) можно каскадным вкл-ем УВХ (Cн2>Сн1), однако быстрод-е резко сниж-ся.
На полевых транзисторах. Ключи на полевых транзисторах позволяют улучшить параметры УВХ за счет малых собственных токов утечки и отстутствия напряжения смещения.
Ключ на полевом транзисторе V3 управляется с помощью каскадов на транзисторах V1 и V2, обеспечивающих условие нормальной работоспособности ключа от ТТЛ схем, UСТРОБ> UВХMAX + UV3, где UV3 напряжение отсечки в режиме обеднения, или пороговое в режиме обогащения 6..10В.
Использование общей отрицательной ОС позволяет существенно уменьшить погрешность слежения, компенсировать спад Uвых в режиме хранения, уменьшить нелинейность амплитудной характеристики и практически полностью устранить напряжение смещения на выходе схемы (Ucм ОУ2 уменьшается в Коу1 раз).В итоге время хранения существенно можно увеличить при тех же значениях допустимых погрешностей.
Время выборки 5-15мкс, спад Uвых в режиме хранения <0.005%, апертурное время <=30нс
Общий недостаток необходимость большой амплитуды управляющих (стробирующих) импульсов. Из-за этого при высокой крутизне фронтов происходит просачивание входного сигнала к накопительному конд-ру. Прохождение это через закрытый ключ зависит и от соотношения проходимой емкости ключа и емкости накопительного конденсатора. Погрешность может достигать десятки мВ. Для ее устранения используют сложные последовательно-параллельные ключи или вводят в Сн заряд, равный заряду от прохождения Uвх, но противоположный ему по знаку.
УВХ на биполярных транзисторах. Интегрирующие УВХ. Основные параметры и характеристики.
БПТ
используются в УВХ как правило в виде
токовых ключей на дифф-х каскадах.
Управление ключами осуществляется
либо прерыванием общего эмиттерного
тока каскадов, либо подачей стробирующего
напряжения на базу одного из транзисторов
каскада.
В исх-м сост-и потенциал на базе V2 ниже Eсм, V2 открыт,V3 закрыт
R3 такое что IKV2>IR2. EОГР>UВХ для надежного запирания V1 и V4.
При стробировании на базу V2 приходит импульс положительной полярности, V2-закрывается, V3-открывается. Ч/з V1 напряжение на Cн достигает UВХ и отслеживает его. При этом заряд его ч/з V3, разряд V4
По окончании стробирующего импульса V1,V3,V4 запираются и увх в режиме хранения. Использование СВЧ транзисторов в реальных схемах удается достичь fд до 6МГц, погрешность слежения при f<=3МГц – меньше 1%,апертурное время 2-3нс, динамический диапазон 0-2В
Интегрирующие.Три
интегратора на ОУ к-е поочередно интегр-т
Uвх
в течение всего периода дискретизации
и в последовательности вкл-я ключей
подают его на выход.
Каждый из интегр-в выполняет операции: установка на нуль, интег-е, запоминание.
В каждый момент времени замкнут только 1 из ключей, пусть замкнут КЛ1, тогда А1 - интегрирование Uвх, А2 - установка на нуль, А3 – выдача отсчета предыдущего такта на выход
Интегрирующие УВХ осуществляют фильтрацию сигнала.
Недостатки: невысокое быстродействие(определяется параметрами ОУ), идентичность параметров ОУ, подбор резисторов и конденсаторов