Цель работы: исследование принципов работы и схемотехнических решений построения аналоговых устройств выборки- хранения (УВХ).
Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.
Методические указания: практическая работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий; подготовка к работе и обработка результатов производится при самостоятельной подготовке. Используются файлы UVX_01, UVX _02 (дополнительное задание по указанию преподавателя).
Устройства выборки- хранения (УВХ).
УВХ- электронное устройство, основным назначением которого является запоминание и хранение в течение определенного интервала времени мгновенного значения входного сигнала в момент перехода устройства из режима выборки в режим хранения. В режиме выборки УВХ транслирует на выход входной сигнал с минимальными искажениями. В режиме хранения – сохраняет величину выходного сигнала неизменной, и равной мгновенному значению входного, запомненному в момент переключения режимов. Основными применениями УВХ являются схемы аналого- цифровых преобразователей и системы многоканальной обработки аналоговых сигналов при необходимости взаимной синхронизации процессов или временного сохранения информации, использующейся в различных аналоговых процессах обработки.
Одним из источников погрешности преобразования АЦП является неопределенность значения входного сигнала, если за время преобразования АЦП он изменяется более, чем на 1 МЗР. Это можно объяснить следующим образом.
Разрешение АЦП определяет минимальную величину изменения входного аналогового сигнала, вызывающую изменение выходного кода на один МЗР. Время преобразования – интервал между командой запуска или моментом изменения входного сигнала и временим выдачи кода, соответствующего величине входного сигнала. Полная точность АЦП может быть реализована только тогда, когда неопределенность преобразования изменяющегося входного сигнала не превосходит 1МЗР. Для n-разрядного преобразователя необходимо выполнение условия
где U0 – полный диапазон преобразования
tC – время преобразования
Так, для 8 – разрядного АЦП с временем преобразования 10 мкс максимальная допустимая частота входного синусоидального сигнала, не приводящая еще к ошибкам квантования fMAX = 125 Гц. Это ограничение обходится применением УВХ. В этом случае величина максимально допустимой частоты входного сигнала ограничивается апертурным временем УВХ. Для УВХ с апертурным временем 10 нс
fMAX = 125 кГц.
Значение максимальной допустимой частоты входного сигнала может быть увеличено еще на один – два порядка, если командный цикл короче апертурной задержки. Величину fMAX определяет при этом задержка, определяемая апертурным дрожанием.
Для устранения этой составляющей погрешности используется УВХ. Кроме того, УВХ применяются в многоканальных измерительных системах, где необходимо сохранить значение отсчета по одному из каналов, когда производится опрос других каналов. УВХ также используется в тех случаях, когда нужно выполнить отсчеты значений сигналов по нескольким каналам точно в один и тот же момент времени.
УВХ состоит из буферного входного усилителя, электронного ключа, накопительного элемента (емкости), выходного буферного усилителя.
УВХ работает в двух режимах: выборки и хранения.
В режиме выборка электронный ключ замкнут. Накопительный конденсатор С перезаряжается буферным усилителем А1 до уровня входного сигнала. Напряжение на конденсаторе С, а, следовательно, и на выходе УВХ, устанавливается не сразу после замыкания ключа, а через некоторое время задержки. Английское обозначение режима "выборка" SАМРLЕ.
В режиме хранение (HОLD) ключ разомкнут. Время задержки размыкания ключа называется "апертурным временем задержки". В этом режиме выходное напряжение определяется входным сигналом, запомненным в момент размыкания ключа. В режиме хранения происходит паразитное изменение сигнала за счет влияния токов утечки разомкнутого ключа, накопительного конденсатора, входного тока буферного усилителя. Параметры УВХ должны обеспечивать в режиме хранения изменение Uвых не более 1МЗР за время преобразования АЦП.
Принцип действия УВХ в составе АЦП можно пояснить с помощью временных диаграмм.
Разновидности схем УВХ
Простая схема УВХ, приведенная ранее, не может обеспечить высокой точности из-за влияния параметров неидеальности электронного ключа и буферных усилителей (сопротивление ключа, напряжение смещения ОУ, токи утечки и т.д.).
Распространены две основные разновидности схем УВХ: неинвертирующая и инвертирующая. Уменьшение ошибок усиления и хранения достигается за счет использования общей отрицательной обратной связи.
Неинвертирующее УВХ
|
|
Эквивалентные схемы неинвертирующего УВХ в режимах выборки и хранения
Краткая характеристика схемы неинвертирующего УВХ:
- Выходное напряжение совпадает с входным по величине и знаку
- Входное сопротивление УВХ велико (определяется входным сопротивлением ОУ1)
- Требуется большая величина управляющего напряжения (меньше быстродействие и большая величина паразитного прохождения сигнала управления)
- Напряжение на истоке транзисторного ключа и входах ОУ2 изменяется синхронно с UВЫХ, что обуславливает ряд ошибок УВХ, связанных с токами утечки ОУ, электронного ключа и накопительной емкости
Инвертирующее УВХ
Краткая характеристика схемы инвертирующего УВХ:
- Меньше требуемое значение UУПР
- Напряжение на истоке транзисторного ключа и входах ОУ2 фиксировано (равно нулю), что исключает ряд ошибок УВХ
- Коэффициент передачи регулируется отношением R2/R1 и может быть сделан любым
- Выходное напряжение инвертировано по отношению к входному
- Входное сопротивление УВХ мало ( = R1)