10.3. Устройства выборки и хранения

Как уже указывалось, одним из основных устройств циклических преобра­зователей угол — амплитуда — код с СКВТ является устройство, обеспечиваю­щее выборку и хранение амплитудных значений выходных сигналов датчика. Од­ним из главных требований, предъявляемых к такому устройству в ЦПП, явля­ется выделение требуемых сигналов из напряжений с большим содержанием шу­мов н изменяющихся по амплитуде н частоте. Достаточно полно этим требова­ниям отвечает устройство (рис. 10.5,а), представляющее модификацию известной схемы (рис. 10.5,6) пикового детектора [82].

В соответствии с диаграммами (рис. 10.6,а) работу устройства можно раз­делить на два периода:

1. Заряд конденсатора С, когда Этому периоду соответствует экви-

Пользуясь диаграммами на рис. 10.7, можно показать относительную инва­риантность устройства к амплитудным колебаниям Отметим, что в а углы практически постоянны. Поэтому для неизменной частоты

2. Разряд конденсатора С, когда Этому периоду соответствует

эквивалентная схема рис. 10.6,в, а динамика описывается уравнением

валентная схема рис. 10.6,б, а динамика описывается уравнением

треугольник будет оставаться практически неизменный при значительных изменениях амплитуды Устройство способно отследить значительные медленные изменения входной амплитуды. Это свойство нарушает­ся, еслибыстро снижается до

В [82] показано, что работа устройства обеспечивается, если превышает минимальное значение

Верхний предел амплитуды определяется характеристиками ОУ — пределом дифференциального входного напряжения и максимальным отклонением выход­ного напряжения.

Рассматриваемое построение обеспечивает инвариантность выходных сигна­лов и к относительно большим колебаниям частоты входного сигнала до тех пор, пока большепо крайней мере в 4 раза превышает период

входного сигнала. Это означает, что 0 (рис. 10.7) остается практически постоян­ной. Верхний предел частоты главным образом определяется максимальной ско­ростью нарастания выходного напряжения ОУ.

Следует отметить, что максимальная частота синусоидального сигналакоторую можно квантовать с точностью доразряда с помощью АЦП при времени преобразованияопределяется [88] как

Отсюда следует, что максимальная частота, которую можно преобразовать в цифровой 8-разрядный эквивалент при времени преобразования АЦП 10 мкс, составляет 621 Гц. Для дискретизации частоты 4000 Гц потребуется АЦП с вре­менем преобразования 155 нс. Задача еще более усложняется при более высо­кой разрешающей способности.

Одним из эффективных путей решения задачи преобразования гармонических сигналов в код является совместное использование АЦП с устройством выборки и хранения УВХ, которое обеспечивает выборку мгновенного значения входного сигнала и хранение его заданное время с требуемой точностью.

Особенности работы различных видов УВХ, их сравнительная оценка подроб­но рассмотрены в [38, 60].

Обычно УВХ используются в АЦП для уменьшения динамической погреш­ности и расширения спектра преобразуемого входного сигнала. В УВХ осуществ­ляется лереход от непрерывной функции к непрерывной последовательно­стиПереход обеспечивается работой схемы в двух основ­ных режимах (выборки и хранения) н в двух промежуточных режимах (переход от выборки к хранению и от хранения к выборке).

К параметрам УВХ в режиме выборки относятся: время выборки

— минимальная длительность управляющего сигнала в режиме выборки, при котором погрешность, вызванная переходным процессом в цепи запоминающего конденсатора, не превышает заданной нормы при поочередной выборке мини­ мального и максимального значений выходного сигнала. Другими словами, это время, в течение которого образуются выборочные значения входного сигнала с заданной точностью. Параметр характеризует погрешность выборки, которая проявляется кал погрешность коэффициента передачи; погрешность коэффициен­та передача — отклонение реального коэффициента передачи от заданного. Различают при работе УВХ с неизменным входным сигналом и сигналом синусоидальной формы различной частоты. В первом случаевходит в со­ став статической погрешности УВХ, во втором — в состав динамической погреш­ности, которая характеризует недозаряд элемента памяти и определяется частот­ ными свойствами схемы в данном режиме; напряжение смещения нуля—вы­ ходное напряжение при выборке (стробировании) нулевого входного сигнала. Его значение может суммироваться со значением напряжения смещения нуля пре­ образователя; время установления выходного напряжения— максимальное время, необходимое для установления выходного напряжения с заданной точ­ностью при воздействии на вход перепада напряжения.

К параметрам и характеристикам УВХ в режиме хранения относят­ся время хранения— время, в течение которого выбранное значение входно­го напряжения хранится с заданной точностью, определяемой скоростью спада выходного напряжения и скорость спада выходного напряжения— максимальная скорость разряда накопительного конденсатора (запоминающего эле­мента). Спад выходного напряжения обусловлен токами утечки составляющих элементов УВХ. Погрешность за счет спада выходного напряжения входит в обобщенную статическую погрешность УВХ. Прямое прохождение обусловлено наличием проходной емкости ключа. Оно определяется как отношение амплиту­ды сигнала прохождения к выборочному значению входного сигнала и выра­жается в процентах.

Наибольшая погрешность, которая вносятся УВХ, возникает при переходе схемы из режима выборки в режим хранения и наоборот. Апертурное время

— Максимальное время от момента подачи команды на хранение до момента начала перехода схемы в данный режим — характеризует динамическую погреш­ность УВХ, обусловленную конечным временем переключения ключа при пере­ ходе схемы от выборки к хранению. Такой подход остается справедливым, пока переход схемы в режим хранения осуществляется в интервале времени, которому соответствуют точки, находящиеся на линейном участке передаточной характер. ристики. В общем случае апертурное время скорее характеризует разрешающую способность УВХ в режиме малого сигнала на определенной частоте н соответ­ствует ширине импульсной переходной характеристики схемы при заданном уровне усреднения или установления входного сигнала.

Следует отметить, что среди разработчиков измерительной аппаратуры до-сих пор нет единого подхода к определениюкоторое объективно зависит оттипа УВХ, режима ее работы, вида аппаратуры, в которой применяется схема. "Апертурная дрожь" —случайная составляющая апертурного времени, вы-званная шумовыми флуктуациями или другими факторами. «Апертурная дрожь" обычно на один-два порядка меньшеПри последовательном включении УВХи АЦПсуммируются со временем преобразования АЦП [38].

Как правило, в УВХ входят: ОУ, выполняющие роль буферов между входом и запоминающим элементом; ключи, обеспечивающие переход схемы из режима выборки в режим хранения И наоборот: схемы управления ключами; запоми­нающие элементы (конденсаторы); схемы коррекции.

Максимальная частота, которую можно дискретизировать с помощью ком­плекса УВХ —АЦП,

Разработке УВХ уделяется большое внимание за рубежом [39, 81—83]. Оте­чественной промышленностью создана ИС УВХ типа КРП00СК2, типовая схема включения которой показана на рис. 10.8,а, а на рис. 10.8,6 — зависимость вре­мени выборкн от емкости Использование этого УВХ иллюстрируется в § 12.1 на примере построения ЦПП с поразрядным уравновешиванием [54].

В том случае, когда ЦПП осуществляет преобразование медленных входных воздействий, вместо УВХ может использоваться демодулятор.

Для СКВТ, допускающих питание импульсным напряжением, отсчетная часть ЦПП упрощается за счет исключения УВХ. Построение такого ЦПП рассмотре­но в § 18.4.