УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ И ХРАНЕНИЯ

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 буферный усилитель, аналоговый ключ, интегратор на операционном усилителе, причем выход буферного усилителя, через аналоговый ключ, подключен ко входу интегратора на операционном усилителе, выход которого является выходом устройства выборки и хранения, а вход буферного усилителя - выходом устройства выборки и хранения. (Ратхор Т.С.Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. - М.: Техносфера 2006.-392 с; рис.6.57.а, стр.277).
На этапе выборки, результат выборки описывается выражением:
где К - коэффициент усиления буферного усилителя.
с.оз
вых
U - остаточное напряжение заряда накопительного конденсатора в период выборки, соответствует (без учета спада выходного напряжения) U(t) предыдущей выборки;
τ - постоянная времени цепи перезаряда интегратора.
Недостатком указанного устройства является несоответствие уровней входного и выходного напряжений.
Наиболее близким по технической сущности, является устройство, содержащее аналоговый ключ, два буферных усилителя (выполненных на базе операционных усилителей), накопительный конденсатор, причем в режиме выборки аналоговый ключ замкнут, обеспечивая тем самым заряд накопительного конденсатора до уровня входного сигнала; в режиме
хранения аналоговый ключ разомкнут, запоминающий конденсатор изолируется им от источника сигнала, а от нагрузки - вторым буферным повторителем (В.А.Никамин. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Справочник.- СПб.: КОРОНА принт; М.: «Альтекс-А», 2003.-224 с, ил.; рис.4.3.б, стр 143-145).
На этапе выборки, результат выборки описывается выражением:
где τ - постоянная времени цепи перезаряда накопительного конденсатора.
выборки.
Недостатком указанного способа является низкая точность запоминания величины напряжения входного сигнала и большое значение величины времени выборки Δt
Раскрытие полезной модели
выборки
хранения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к повышению точности установления выходного напряжения, 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 дифференциальный усилитель напряжения, триггер, схема сравнения, формирователь укороченного импульса, элемент задержки, элемент И, причем информационный вход устройства выборки и хранения одновременно является неинвертирующим входом дифференциального усилителя напряжения и вторым входом схемы сравнения, первый вход которой соединен одновременно с инвертирующим входом дифференциального усилителя напряжения и выходом повторителя на операционном усилителе, выход которого служит выходом устройства выборки и хранения; выход схемы сравнения подключен к R-входу триггера, S-вход которого через формирователь укороченного импульса одновременно
соединен с входом управления устройства выборки и хранения и входом элемента задержки, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с прямым выходом триггера; выход элемента И подключен к входу управления аналогового ключа, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя напряжения.
Схема сравнения содержит два компаратора и элемент И, входы которого 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.
τ
u
На фиг.4 приведен график функции n=ƒ(n) прототипа.
τ
u
На фиг.5 приведен график функции n=ƒ(n) по предлагаемому устройству.
Осуществление полезной модели
Устройство выборки и хранения содержит дифференциальный усилитель напряжения 1, схему сравнения 2, повторитель на операционном усилителе 3, триггер 4, формирователь укороченного импульса 5, элемент задержки 6, элемент И 7, аналоговый ключ 8, конденсатор хранения 9, причем информационный вход устройства выборки и хранения одновременно является неинвертирующим входом дифференциального усилителя напряжения 1 и вторым входом схемы сравнения 2, первый вход которой соединен одновременно с инвертирующим входом дифференциального усилителя напряжения 1 и выходом повторителя на операционном усилителе 3, выход которого служит выходом устройства
выборки и хранения; выход схемы сравнения подключен к R-входу триггера 4, S-вход которого через формирователь укороченного импульса 5 одновременно соединен с входом управления устройства выборки и хранения и входом элемента задержки 6, выход которого соединен с первым входом элемента И 7, второй вход которого соединен с прямым выходом триггера 4; выход элемента И 7 подключен к входу управления аналогового ключа 8, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя напряжения 1, а выход одновременно подключен к входам конденсатора хранения 9 и повторителя на операционном усилителе 3.
Структурная схема устройства выборки и хранения приведена на фиг.1.
Схема сравнения 2 содержит компараторы 10, 11 и элемент И 12, входы которого являются выходами компараторов 10, 11, а выход служит выходом схемы сравнения 2; разноименные входы компараторов 10, 11 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 10 и 11, входящие в состав схемы сравнения 2, включены параллельно, при этом их входы соединены встречно, в силу чего, выходные сигналы будут противофазны (фиг.3. и, к). В момент равенства сигналов на входе схемы сравнения 2 (фиг.3. ж, и) будут иметь место ненулевые уровни напряжения на входах элемента И 12, а значит единичный уровень на выходе схемы сравнения 2 (фиг.3.к) (это легко осуществимо в силу равенства нулевых уровней компараторов 10, 11 и элемента И 12 и некоторого превышения единичного уровня компараторов 10, 11 над единичным уровнем элемента И 12).
Работа устройства поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.3.
Устройство выборки и хранения работает следующим образом.
вх
Сигнал U (фиг.3.е) поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 1. Так как инвертирующий вход
вых.повт
дифференциального усилителя 1 соединен с выходом повторителя на операционном усилителе 3, на него поступает сигнал U (фиг.3.ж). Коэффициент передачи дифференциального усилителя 1 напряжения К≫1. В силу этого, имеет место соотношение:
п
Фактически, на выходе дифференциального усилителя 1 формируется скачек напряжения, стремящейся к уровню напряжения питания ±Е дифференциального усилителя 1 (фиг.3.ж).
0
Импульс запуска, поступающий на вход управления устройства выборки и хранения в момент времени t (фиг.3.а) подвергается:
y
1
0
- укорочению (формируется импульс длительностью Δt=t-t), посредством формирователя укороченного импульса 5;
c
1
0
- сдвигу (импульс задерживается на время Δt=t-t), посредством элемента задержки 6.
c
y
Причем Δt>Δt.
y
Укороченный импульс Δt переводит триггер 4 в единичное состояние (фиг.3.в).
2
С момента времени t на выходе элемента И 7 формируется высокий потенциал - начинается период выборки. Аналоговый ключ 8 переводится в замкнутое состояние, обеспечивая тем самым перезаряд конденсатора хранения 9 согласно выражению (4):
c
где U - напряжение на конденсаторе хранения 9 в период выборки;
c.оз
c
U ~ остаточное напряжение заряда конденсатора хранения 9 в период выборки, соответствует (без учета спада выходного напряжения) U предыдущей выборки;
вых.ус
U - напряжение на выходе дифференциального усилителя 1;
τ - постоянная времени цепи перезаряда конденсатора хранения 9. Так как конденсатор хранения 9 подключен ко входу повторителя на
c
с
вx
3
3
6
0
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.и, к, л). Импульс, сформированный на выходе схемы сравнения 2 (фиг.3.л) в момент времени t переключает триггер 4 в нулевое состояние (фиг.3.в), размыкая тем самым, (посредством элемента И 7) аналоговый ключ 8 (фиг.3.д). 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, дифференциального усилителя напряжения 1, выражение (4) можно представить в виде:
А так как коэффициент передачи дифференциального усилителя 1 К≫1, то выражение (5), в пределе, примет вид:
,
где Е - напряжение питания дифференциального усилителя 1.
вх
вых.повт
c
2
Причем, знак «+» или «-» определяется соотношением входного U и выходного U=U: напряжений (посредством дифференциального усилителя 1) в момент времени t.
То есть напряжение, подаваемое на конденсатор хранения в предлагаемом устройстве, будет значительно больше (в пределе в К раз) напряжения, подаваемого на конденсатор хранения в случае прототипа.
В целях проведения сравнительной оценки прототипа и предлагаемого устройства, выполним ряд преобразований. При этом будем опираться на параметры:
τ
- n - относительное время (выражает текущее время t в долях τ)
τ
n=t/τ(8)
u
вх
с.оз
- n - коэффициент пропорциональности между входным U и остаточным напряжением заряда накопительного конденсатора U
u
с.оз
вх
n=U/U(9)
1) В случае прототипа, опираясь на (2):
С учетом (9), выражение (10) примет вид:
где, [%] - относительная погрешность представления входного сигнала на выходе устройства (относительная погрешность заряда накопительного конденсатора).
τ
u
u
с.оз
вх
График функции n=ƒ(n), для типового значения относительной погрешности δ=0,1%, в диапазоне 0<n<2 (0<|U|<2·|U|), приведен на фиг.4.
2) В случае предлагаемого устройства, с учетом (8) и (9):
причем:
τ
u
с.оз
вx
Графики функции n.=ƒ(n), (12.а-г), для типового значения относительной погрешности δ=0,1%, в диапазоне (0<|U|<2·|U=±5 В|), при напряжении питания ИМС УВХ E=±15 В, имеют одинаковый вид и приведены на фиг.5.
τ.прндлагаемый
τ.прототипа
Как следует из анализа фиг.4 и фиг.5, предлагаемое устройство выборки и хранения характеризуется лучшими показателями по параметру время выборки (n=0,405; n=6,908).
И так, предлагаемое устройство характеризуется тем, что:
с
вх
1) время установления равенства U=U (период выборки) будет в
раз меньше, чем в случае прототипа;
2) точность установления выходного напряжения будет несколько выше чем в прототипе, так как в отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве напряжение смещения повторителя на операционном усилителе 3 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 пределе 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 повышение точности установления выходного напряжения, сокращение времени выборки Δt при одновременном увеличении времени хранения Δt.