7.4. Устройства выборки-хранения

Устройства выборки-хранения (УВХ) предназначены для запоминания изменяющихся аналоговых сигналов на время преобразования, коммутации и других операций. В простейшем варианте УВХ (рис. 7.8в) состоит из аналогового ключа (АК), элемента памяти в виде конденсатора С и буферного (согласующего) усилителя на ОУ. В общем случае УВХ может работать в трех режимах: выборки, хранения и сброса.

В режиме выборки первоначально разомкнутый АК замыкается на короткое время t_в импульсом выборки. За это время происходит быстрый заряд емкости запоминающего конденсатора через малое сопротивление АК до мгновенного значения входного сигнала. Время выборки ограничено снизу постоянной времени цепи заряда и требуемой точностью запоминания, а сверху – скоростью изменения запоминаемого аналогового сигнала. По окончании импульса выборки УВХ автоматически переходит в режим хранения: АК размыкается, отключая источник входного сигнала, и на выходе УВХ появляется напряжение, равное напряжению на емкости С. Когда УВХ переходит в режим хранения, некоторая часть заряда утекает с конденсатора С через электродные емкости АК. Связанное с этим зарядом изменение напряжения на конденсаторе называют погрешностью сдвига уровня при переходе в режим хранения. С момента окончания импульса выборки до размыкания АК проходит некоторое время, называемое апертурным. Это время определяет максимально возможную частоту сигналов выборки и, следовательно, предельное быстродействие УВХ.

В режиме хранения максимальная длительность времени хранения ограничивается сверху разрядом запоминающей емкости, обусловленным входным током и конечным входным сопротивлением ОУ, а также токами утечки разомкнутого АК. Емкость конденсатора хранения оказывает на параметры УВХ двоякое влияние. Уменьшение С увеличивает точность выборки мгновенного значения сигнала, но в то же время увеличивает погрешность в режиме хранения. Чтобы устранить данное противоречие и увеличить время хранения, применяют двухкаскадные УВХ.

Для построения интегральных УВХ используют компенсационные структуры типа рис. 7.8г. Здесь первый ОУ выполняет функцию развязки цепи заряда запоминающей емкости от источника сигнала. Этот ОУ охвачен общей ООС, что в конечном итоге ведет к увеличению быстродействия УВХ. Интегральные УВХ требуют минимального количества внешних навесных элементов (конденсатор хранения и резистор регулировки смещения нуля) и имеют следующие типовые параметры: диапазон входных сигналов  10 В, время выборки 10 мкс, скорость изменения напряжения на емкости в режиме хранения не более 5 мВ/мс, апертурное время 10 мкс, дрейф нуля 20 мкВ/^oC. На рис. 7.9а приведен пример включения ИМС УВХ типа К1100СК2.

7.5. Интегральный таймер

Интегральный таймер (ИТ) предназначен для формирования стабильных интервалов времени в диапазоне от единиц микросекунд до десятков секунд. Наиболее распространенным является ИТ КР1006ВИ1 (аналог NE555), функциональная схема которого представлена на рис. 7.9б. В нее входят два компаратора (К1и К2), RS-триггер, резистивный делитель, состоящий из трех резисторов одинакового номинала R = 5 кОм, и выходные транзисторы (V1, V2, V3).

Напряжение питания ИТ может меняться в пределах от 5 до 15 В. Резистивный делитель подает на нижний компаратор напряжение Е/3, а на верхний – напряжение 2E/3. Таким образом, если на выводе 2 ИТ напряжение станет меньше, чем Е/3, то на триггер пойдет сигнал установки в "1". Если же напряжение на выводе 6 станет больше, чем 2E/3, то с верхнего компаратора на триггер придет сигнал установки в "0". Триггер имеет дополнительный вход установки в нуль – вход 4 стробирования.

Если на входы ИТ поступают одновременно сигналы установки в различные состояния, то триггер срабатывает в соответствии со следующими приоритетами. Наивысший приоритет имеет сигнал стробирования на входе 4. Если U₄ = "1", работа таймера разрешена, если U₄ = "0", то триггер таймера устанавливается в ноль.

Рис. 7.9

Вторым по старшинству является непрерывный сигнал U₂, подаваемый на вывод 2. Если U₄ = "1" и U₂ < Е/3, то с выхода триггера будет сниматься сигнал "1". Самый младший приоритет принадлежит сигналу U₆, подаваемому на вывод 6. Этот сигнал при U₄ = "1", U₂ > Е/3 и U₆ > 2E/3 обеспечивает установку триггера в нуль. Выходной каскад ИТ, построенный на транзисторах V1, V2, может отдавать в нагрузку ток до 100 мА. ИТ широко используется для построения реле времени, генераторов и формирователей импульсов, позволяя непосредственно управлять исполнительными электромагнитными механизмами (реле, контакторы и др.). На рис. 7.9в приведена схема мультивибратора на ИТ, генерирующего прямоугольные импульсы с частотой, равной F = 0,7RC. ИТ может быть использован также как преобразователь сигналов резистивных или емкостных датчиков в частоту.