УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ И ХРАНЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к автоматике и измерительной технике и может быть использована в аналого-цифровых системах обработки сигналов.
Уровень техники
Известно устройство выборки и хранения, содержащее два аналоговых ключа (выполненных на базе полевых транзисторов), два буферных усилителя (выполненных на базе операционных усилителей), накопительный конденсатор; причем в режиме выборки второй аналоговый ключ разомкнут, а первый аналоговый ключ замкнут, обеспечивая тем самым заряд накопительного конденсатора до уровня входного сигнала; в режиме хранения второй аналоговый ключ замкнут, обеспечивая большое входное сопротивление устройства выборки и хранения, а первый аналоговый ключ разомкнут, запоминающий конденсатор изолируется им от источника сигнала, а от нагрузки - вторым буферным усилителем, работающим в режиме повторителя (В.А.Никамин. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи: Справочник. - СПб.: КОРОНА принт; М.: «Альтекс-А», 2003. - 224 с, ил.; рис.4.3, стр.143-145).
выборки
Недостатком указанного устройства является низкая точность запоминания величины напряжения и большое значение величины времени выборки Δt.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятое авторами за прототип, является устройство выборки и хранения, содержащее аналоговый ключ, два повторителя на операционных усилителях, конденсатор хранения, резистор цепи обратной связи, резистор ограничения, два встречно включенных диода, причем, когда аналоговый ключ находится в замкнутом состоянии (режим
запоминания), потенциал выхода первого операционного усилителя, вследствие действия общей отрицательной обратной связи, устанавливается таким, что выходное напряжение отличается от входного на величину напряжения смещения первого операционного усилителя. При этом смещение, возникающее из-за наличия коммутатора (ключа) и второго операционного усилителя, сводится к нулю. Диоды в этом состоянии схемы заперты, так как падение напряжения на них, равное указанному смещению, достаточно мало (меньше 20 мВ). При размыкании ключа управляющим сигналом выходное напряжение остается неизменным. Резистор цепи обратной связи и диоды предотвращают насыщение первого операционного усилителя, которое могло бы возникнуть из-за размыкания общей отрицательной обратной связи в этом режиме. Это снижает время переходного процесса при замыкании ключа. Первый операционный усилитель обеспечивает высокое входное сопротивление устройства выборки и хранения (Микросхемы АЦП и ЦАП / Г.И.Волович, В.Б.Ежов. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - 432 с.: ил. +CD; рис.52, стр.40).
выборки
хранения
выборки
Недостатком устройства является большое значение величины времени выборки Δt и малое значение отношения Δt/Δt.
Раскрытие полезной модели
выборки
хранения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к сокращению времени выборки Δt при одновременном увеличении времени хранения Δt.
Технический результат достигается тем, что в устройство выборки и хранения, содержащее аналоговый ключ, к выходу которого подключены входы конденсатора хранения и повторителя на операционном усилителе, введены неинвертирующий усилитель напряжения, триггер, схема сравнения, причем информационный вход устройства выборки и хранения одновременно является входом неинвертирующего усилителя напряжения и вторым входом схемы сравнения, первый вход которой соединен с выходом
повторителя на операционном усилителе и выходом устройства выборки и хранения; выход схемы сравнения подключен к R-входу триггера, S-вход которого служит входом управления устройства выборки и хранения; выход триггера подключен к входу управления аналогового ключа, вход которого соединен с выходом неинвертирующего усилителя напряжения.
Схема сравнения содержит два компаратора и схему ИЛИ-НЕ, входы которой являются выходами компараторов, а выход служит выходом схемы сравнения; разноименные входы компараторов соединены между собой и со входами схемы сравнения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена структурная схема устройства выборки и хранения.
На фиг.2 приведена структурная схема схемы сравнения.
На фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
Осуществление полезной модели
Устройство выборки и хранения содержит неинвертирующий усилитель напряжения 1, вход которого одновременно является информационным входом устройства выборки и хранения и вторым входом схемы сравнения 2, первый вход которой соединен с выходом повторителя на операционном усилителе 3 и выходом устройства выборки и хранения; выход схемы сравнения 2 подключен к R-входу триггера 4, S-вход которого служит входом управления устройства выборки и хранения; выход триггера 4 подключен к входу управления аналогового ключа 5, вход которого соединен с выходом неинвертирующего усилителя напряжения 1, а выход подключен к входам конденсатора хранения 6 и повторителя на операционном усилителе 3.
Структурная схема устройства выборки и хранения приведена на фиг.1.
Схема сравнения 2 содержит компараторы 7, 8 и схему ИЛИ-НЕ 9,
входы которой являются выходами компараторов 7, 8, а выход служит выходом схемы сравнения 2; разноименные входы компараторов 7, 8 соединены между собой и со входами схемы сравнения 2.
Структурная схема схемы сравнения 2 приведена на фиг.2.
Схема сравнения 2 работает следующим образом.
Компараторы 7 и 8, входящие в состав схемы сравнения 2, включены параллельно, при этом их входы соединены встречно, в силу чего, выходные сигналы будут противофазны (фиг.3. д, е), а значит в момент равенства сигналов на входе схемы сравнения 2 (фиг.3. г) будут иметь место нулевые уровни напряжения на входах схемы ИЛИ-НЕ 9, а значит единичный уровень на выходе схемы сравнения 2.
Работа устройства поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.3.
Устройство выборки и хранения работает следующим образом.
вх
п
Сигнал U (фиг.3.а) поступает на вход неинвертирующего усилителя 1, с коэффициентом передачи К≫1. Фактически, на выходе неинвертирующего усилителя 1 формируется скачок напряжения с полярностью, соответствующей полярности входного сигнала и амплитудой, стремящейся к уровню напряжения питания ±Е неинвертирующего усилителя 1 (фиг.3.г).
0
Импульс запуска, поступающий на вход управления устройства выборки и хранения в момент времени t (фиг.3.б) переводит триггер 4 в единичное состояние, ознаменовывая, тем самым, период выборки. Высокий потенциал с выхода триггера 4 переключает аналоговый ключ 5 в замкнутое состояние, обеспечивая тем самым перезаряд конденсатора хранения 6 согласно выражению (1):
c
где U - напряжение на конденсаторе хранения 6 в период выборки;
c.oз
c
U - остаточное напряжение заряда конденсатора хранения 6 в период выборки соответствует (без учета спада выходного напряжения) Uпредыдущей выборки;
вых.нун
U - напряжение на выходе неинвертирующего усилителя 1;
τ - постоянная времени цепи перезаряда конденсатора хранения 6.
с
c
вх
2
2
3
0
Так как конденсатор хранения 6 подключен ко входу повторителя на операционном усилителе 3, то на выходе последнего будет напряжение, соответствующее значению напряжения U. Момент равенства напряжений U и U отслеживается схемой сравнения 2 (фиг.3.г, ж). Импульс, сформированный на выходе схемы сравнения 2 (фиг.3.ж) в момент времени t(фиг.3.в) переключает триггер 4 в нулевое состояние, размыкая тем самым аналоговый ключ 5. В момент времени t завершается период выборки. Устройство выборки и хранения переходит в режим хранения. Повторно цикл работы устройства возобновляется в момент времени t(t) поступления импульса запуска на управляющий вход устройства.
В силу использования в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, неинвертирующего усилителя 1 с коэффициентом передачи К≫1, выражение (1) можно представить в виде:
То есть напряжение, подаваемое на конденсатор хранения в предлагаемом устройстве, будет в К раз больше напряжения, подаваемого на конденсатор хранения в случае прототипа. А значит:
c
вх
вх
1)время установления равенства U=U (период выборки) в предлагаемом устройстве будет как минимум в 1,5·К раз меньше чем в случае прототипа (так как в прототипе заряд конденсатора до напряжения U осуществляется по экспоненте, а в предлагаемом устройстве - линейно);
2)точность установления выходного напряжения в предлагаемом устройстве будет несколько выше чем в прототипе, так как в отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве напряжение смещения усилителей не оказывает влияния на точность установления выходного напряжения (точность установления выходного напряжения определяется прежде всего точностью схемы сравнения, которая весьма высока в силу использования высокоскоростных компараторов, входы которых соединены встречно, а при
встречном включении параллельно соединенных компараторов, смещения, возникающие в каждом из них, будут взаимокомпенсироваться);
3)период хранения в предлагаемом устройстве может быть значительно больше чем в прототипе, так как в силу возможности значительного увеличения входного напряжения (в К раз), при сохранении периода выборки того же порядка, что и в прототипе, имеется возможность увеличения емкости конденсатора хранения (т.е. постоянной времени разряда).
выборки
хранения
То есть, в предлагаемом устройстве имеет место сокращение времени выборки Δt при одновременном увеличении времени хранения Δt.