УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ И ХРАНЕНИЯ
SAMPLE AND HOLD DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано в аналого-цифровых системах обработки сигналов.
Уровень техники
Известно устройство выборки и хранения, содержащие 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 ([1, с. 102, рис. 3] - Жаворонкова М.С., Бондарь С.Н. Разработка быстродействующего устройства выборки и хранения повышенной точности // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сб. науч. тр. по материалам 75-й научно-практической конференции электроэнергетического факультета СтГАУ. - Ставрополь: АГ-РУС, 2011. С. 100-104).
выборки
хранения
выборки
Недостатком устройства является большое значение величины времени выборки Δt и малое значение отношения Δt/Δt.
Известно устройство выборки и хранения, содержащее неинвертирующий усилитель напряжения, вход которого одновременно является информационным входом устройства выборки и хранения 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 S-входу триггера, R-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, а выход подключен к входам конденсатора хранения и повторителя на операционном усилителе; 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 ([2] - патент RU 63623, МПК H03K 17/60).
Недостатком устройства является низкая точность запоминания величины напряжения входного сигнала.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является устройство выборки и хранения содержащее аналоговый ключ, два операционных усилителя, резистор цепи обратной связи, два встречно включенных диода, конвертор положительного емкостного сопротивления, причем вход устройства подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, выход которого непосредственно подключен ко входу аналогового ключа и через встречно включенные диоды, одновременно подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя и резистору цепи обратной связи, второй вывод которого соединен одновременно с выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого служит выходом устройства выборки и хранения, вход управления которого является входом управления аналогового ключа, выход которого соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя и входом конвертора положительного емкостного сопротивления.
Конвертор положительного емкостного сопротивления содержит два операционных усилителя, четыре резистора, конденсатор; причем конденсатор одним контактом заземлен, вторым контактом подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя и входу первого резистора, выход которого подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя и входу второго резистора, выход которого соединен непосредственно с выходом второго операционного усилителя и через третий резистор подключен к параллельно соединенным неинвертирующему входу второго операционного усилителя, выходу первого операционного усилителя и входу четвертого резистора, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя и входом конвертора положительного емкостного сопротивления ([3] - патент RU 2342714, МПК G11C 27/02, H03K 17/60).
На этапе выборки, результат выборки описывается выражением:
вых
где U - выходное напряжение устройства выборки и хранения;
вх
U - входное напряжение устройства выборки и хранения;
с.кон
U - напряжение на искусственной емкости, создаваемой конвертором положительного емкостного сопротивления в период выборки;
с.кон.оз
с.кон
_
U остаточное напряжение заряда искусственной емкости создаваемой конвертором положительного емкостного сопротивления в период выборки, соответствует (без учета спада выходного напряжения) U предыдущей выборки;
с.кон
τ - постоянная времени цепи заряда искусственной емкости, создаваемой конвертором положительного емкостного сопротивления.
с.кон.оз
То есть в режиме заряда искусственной емкости, создаваемой конвертором положительного емкостного сопротивления, в устройстве выборки и хранения имеет место коммутационный процесс с ненулевыми начальными условиями, в качестве которых выступает остаточное напряжение заряда искусственной емкости U.
с.кон.оз
выб.
с.кон.1
выб.1
с.кон.2
выб.2
с.кон.3
выб.3
с.кон.4
выб.4
В силу влияния U, время выборки Δt, необходимое для обеспечения заданной точности запоминания входного сигнала, будет неравномерно (фиг. 1: кривая U→Δt; кривая U→Δt; кривая U→Δt; кривая U→Δt), а так как считывающие устройства, например АЦП, функционируют в синхронном режиме, время выборки в прототипе будет определяться условием (2)
с.кон.оз
выб.
u
Для количественной оценки влияния величины остаточного напряжения заряда искусственной емкости U на время выборки в прототипе Δt, введем параметр n, выражение (3)
τ
и параметр n, выражение (4)
С учетом (3), выражение (4) примет вид:
где , [%] - относительная погрешность представления входного сигнала на выходе устройства (относительная погрешность заряда искусственной емкости, создаваемой конвертором положительного емкостного сопротивления в период выборки).
τ
u
u
с.кон.оз
вх
вх
График функции n=f(n), для типового значения относительной погрешности δ=0,1%, в диапазоне -1<n<3 (U∈[-U; 3·U]), приведен на фиг. 2. Как следует из графика, фиг. 2, для заданных условий, имеет место соотношение (6)
с.кон.оз
То есть наличие остаточного напряжения заряда искусственной емкости U приводит:
- к неравномерности времени выборки;
- увеличению времени выборки, относительно необходимого интервала, на 10%;
- неоднозначности относительной погрешности представления входного сигнала на выходе устройства (неоднозначности точности запоминания).
выборки
Недостатком устройства является большое значение величины времени выборки Δt при неоднозначности точности запоминания.
Раскрытие изобретения
выборки
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к сокращению времени выборки Δt при обеспечении заданной точности запоминания.
Технический результат достигается тем, что в устройство выборки и хранения, содержащее первый аналоговый ключ, два операционных усилителя, резистор цепи обратной связи, два встречно включенных диода, конвертор положительного емкостного сопротивления, причем вход устройства подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, выход которого непосредственно подключен ко входу первого аналогового ключа и через встречно включенные диоды, одновременно подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя и резистору цепи обратной связи, второй вывод которого соединен одновременно с выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого служит выходом устройства выборки и хранения, выход первого аналогового ключа соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя и первым входом конвертора положительного емкостного сопротивления, введены первый и второй формирователь импульсов, элемент задержки, второй аналоговый ключ, причем вход управления устройства выборки и хранения, через первый формирователь импульса, соединен непосредственно с входом управления второго аналогового ключа и, через последовательно соединенные элемент задержки и второй формирователь импульса, с входом управления первого аналогового ключа, вход второго аналогового ключа заземлен, а выход подключен ко второму входу конвертора положительного емкостного сопротивления.
Конвертор положительного емкостного сопротивления содержит два операционных усилителя, четыре резистора, конденсатор, причем конденсатор одним контактом заземлен, вторым контактом подключен ко второму входу конвертора положительного емкостного сопротивления, к инвертирующему входу первого операционного усилителя и входу первого резистора, выход которого подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя и входу второго резистора, выход которого соединен непосредственно с выходом второго операционного усилителя и через третий резистор подключен к параллельно соединенным неинвертирующему входу второго операционного усилителя, выходу первого операционного усилителя и входу четвертого резистора, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя и первым входом конвертора положительного емкостного сопротивления.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведены временные диаграммы, поясняющие работу прототипа.
τ
u
На фиг. 2 приведен график функции n=f(n) прототипа.
На фиг. 3 приведена функциональная схема устройства выборки и хранения.
На фиг. 4 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства выборки и хранения.
Осуществление изобретения
Устройство выборки и хранения содержит операционные усилители 1 (ОУ1) и 6 (ОУ2), аналоговые ключи 2 и 18, диоды 3 (D1) и 4 (D2), резистор 5 (R1) цепи обратной связи, конвертор 7 положительного емкостного сопротивления, формирователи импульсов 15 и 17, элемент задержки 16, причем вход устройства подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выход которого непосредственно подключен ко входу аналогового ключа 2 и через встречно включенные диоды 3 и 4, одновременно подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 1 и резистору 5 цепи обратной связи, второй вывод которого соединен одновременно с выходом устройства выборки и хранения и инвертирующим входом операционного усилителя 6, выход аналогового ключа 2 соединен одновременно с неинвертирующим входом операционного усилителя 6 и первым входом конвертора 7 положительного емкостного сопротивления, вход управления устройства выборки и хранения, через формирователь импульса 15, соединен непосредственно с входом управления аналогового ключа 18 и, через последовательно соединенные элемент задержки 16 и формирователь импульса 17, с входом управления аналогового ключа 2, вход аналогового ключа 18 заземлен, а выход подключен ко второму входу конвертора 7 положительного емкостного сопротивления.
Конвертор 7 положительного емкостного сопротивления содержит конденсатор 8 (С), операционные усилители 9 (ОУЗ) и 11 (ОУ4), резисторы 10 (R2), 12 (R3), 13 (R4), 14 (R5), причем конденсатор 8 одним контактом заземлен, а вторым контактом подключен ко второму входу конвертора 7 положительного емкостного сопротивления, к инвертирующему входу операционного усилителя 9 и входу резистора 10, выход которого подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 11 и входу резистора 12, выход которого соединен непосредственно с выходом операционного усилителя 11 и через резистор 13, подключен к параллельно соединенным неинвертирующему входу операционного усилителя 11, выходу операционного усилителя 9 и входу резистора 14, выход которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 9 и первым входом конвертора 7 положительного емкостного сопротивления.
Функциональная схема устройства выборки и хранения приведена на фиг. 3.
В основе принципа функционирования предлагаемого устройства выборки и хранения лежит ряд операций.
1) Принудительный ускоренный разряд (ПУР) искусственной емкости создаваемой конвертором 7 положительного емкостного сопротивления, а фактически, конденсатора 8 конвертора 7 положительного емкостного сопротивления, согласно выражению (7)
пур
где τ - постоянная времени цепи принудительного ускоренного разряда конденсатора 8 конвертора 7 положительного емкостного сопротивления.
Причем
и в пределе
пур
что обеспечивается аналоговым ключом 18. А значит, интервал времени принудительного ускоренного разряда конденсатора 8 конвертора 7 положительного емкостного сопротивления (искусственной емкости создаваемой конвертором 7 положительного емкостного сопротивления) Δt, фиг. 4, характеризуется условием
2) Заряд искусственной емкости, создаваемой конвертором 7 положительного емкостного сопротивления, фиг. 4, согласно выражению (11)
С учетом выражений (4), (5), (7)÷(11), будет иметь место соотношение (12)
τ
u
выборки
что соответствует n (n=0) прототипа, фиг. 2. Тем самым будет достигнуто сокращение времени выборки Δt (относительно прототипа) в пределе на 10% при обеспечении заданной точности запоминания, то есть устранены недостатки прототипа.
хр.
3) Считывание запомненного напряжения в течение интервала времени хранения Δt (фиг. 4, где ΔU - погрешность выборки мгновенного значения аналогового напряжения).
Работа устройства поясняется временными диаграммами (фиг. 5), на которых показаны:
упр
- импульс запуска устройства выборки и хранения (входное управляющее напряжение u) (фиг. 5, а);
15
- выходное напряжение u формирователя импульса 15 (фиг. 5, б);
16
- выходное напряжение u элемента задержки 16 (фиг. 5, в);
17
- выходное напряжение u формирователя импульса 17 (фиг. 5, г).
вх
6
- входное напряжение устройства u, выходное напряжение устройства u (фиг. 5, д).
Устройство выборки и хранения работает следующим образом.
ynp
0
пур
1
0
Импульс запуска U, поступающий на вход управления устройства выборки и хранения в момент времени t (фиг. 5, а), обеспечивает, посредством формирователя импульса 15 (фиг. 5, б), замыкание аналогового ключа 18 и принудительный ускоренный разряд конденсатора 8 конвертора 7 положительного емкостного сопротивления (искусственной емкости, создаваемой конвертором 7 положительного емкостного сопротивления), согласно выражению (7). Причем, в силу выполнения условий (8) и (9) (проходное сопротивление замкнутого ключа в современных ИМС составляет порядка 0,5 Ом ([4] 0.45-Ω quad spdt analog switch 4-channel 2:1 multiplexer - demultiplexer with two controls. [Электронный ресурс] TS3A44159. http://www.farnell.com/datasheets/1789043.pdf (дата обращения: 22.03.2015.)), интервал времени принудительного ускоренного разряда конденсатора 8 конвертора 7 положительного емкостного сопротивления (искусственной емкости создаваемой конвертором 7 положительного емкостного сопротивления) Δt=t-t (фиг. 5, 1) будет соответствовать условию (10).
с.кон
Сигнал с выхода элемента задержки 16 (фиг. 5, в) обеспечивает, посредством формирователя импульса 17 (фиг. 5, г), замыкание аналогового ключа 2 и заряд искусственной емкости, создаваемой конвертором 7 положительного емкостного сопротивления (фиг. 5, д) согласно выражению (11). Причем, постоянная времени цепи заряда искусственной емкости τ, создаваемой конвертором 7, определяется выражением (13)
AK
где R - проходное сопротивление замкнутого аналогового ключа 2;
кон
C - величина искусственной емкости создаваемой конвертором 7, выражение (14)
к
к
где K - коэффициент конверсии, в общем случае, K<<1;
С - емкость конденсатора 8 (С);
2÷5
R - сопротивление резисторов, соответственно 10 (R2), 12 (R3), 13 (R4), 14 (R5).
При этом следует учесть, что операционный усилитель 1 обеспечивает высокое входное сопротивление устройства выборки и хранения, а потенциал выхода операционного усилителя 1, вследствие действия общей отрицательной обратной связи устанавливается таким, что выходное напряжение отличается от входного на величину напряжения смещения операционного усилителя 1. При этом смещение, возникающее из-за наличия аналогового ключа 2 и операционного усилителя 6, сводится к нулю. Диоды 3 и 4 в этом состоянии схемы заперты, так как падение напряжения на них, равное указанному смещению, достаточно мало (меньше 20 мВ).
хр
5
4
х.кон
По завершению формирования импульса формирователем импульса 17 (фиг. 5, г), аналоговый ключ 2 размыкается, устройство выборки и хранения переходит в режим хранения - интервал времени Δt=t-t (фиг. 5, д). При этом следует учесть, что операционный усилитель 6 включен по схеме повторителя, в силу чего напряжение на выходе устройства выборки и хранения соответствует напряжению установившемуся на входе конвертора 7 положительного емкостного сопротивления (падению напряжения на конверторе 7), а спад выходного напряжения устройства выборки и хранения ΔU (фиг.4) определяется постоянной времени хранения τ
вх.ОУ2
вх.ОУ2
где R - входное сопротивление операционного усилителя 6 (ОУ2), в общем случае, R составляет тысячи МОм ([5] - Sample-and-hold amplifiers LF198/LF298/LF398 [Электронный ресурс] http://pdf.datasheetarchive.com/indexerfiles/Scans-064/DSA2IH00144263.pdf (дата обращения: 22.03.2015.)).
В дальнейшем алгоритм работы устройства выборки и хранения повторяется.
Формирователи укороченного импульса 15 и 17 могут быть выполнены в виде ждущих мультивибраторов или одновибраторов.
с.кон.оз
выборки
Введение в предлагаемом устройстве операции принудительного ускоренного разряда искусственной емкости создаваемой конвертором 7 положительного емкостного сопротивления, а фактически, конденсатора 8 конвертора 7 положительного емкостного сопротивления, устраняет влияние остаточного напряжения заряда искусственной емкости U на время выборки, что позволяет сократить время выборки Δt при обеспечении заданной точности запоминания.