Устройство выборки и хранения

Полезная модель относится к автоматике и измерительной технике и может быть использована в аналого-цифровых системах обработки сигналов. Техническим результатом является повышение точности установления выходного напряжения, сокращение времени выборки при одновременном увеличении времени хранения. Устройство выборки и хранения содержит дифференциальный усилитель напряжения, схему сравнения, повторитель на операционном усилителе, RS-триггер, формирователь укороченного импульса, элемент задержки, элемент И, аналоговый ключ, конденсатор хранения.5 ил. 1 П. Ф-лы.

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.

U_с.оз - остаточное напряжение заряда накопительного конденсатора в период выборки, соответствует (без учета спада выходного напряжения) U_вых(t) предыдущей выборки;

- 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 - постоянная времени цепи перезаряда накопительного конденсатора.

Недостатком указанного способа является низкая точность запоминания величины напряжения входного сигнала и большое значение величины времени выборки t_{выборки.}

Раскрытие полезной модели

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к повышению точности установления выходного напряжения, сокращению времени выборки t_{выборки} при одновременном увеличении времени хранения t_{хранения}.

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.

На фиг.4 приведен график функции n=(n_u) прототипа.

На фиг.5 приведен график функции n=(n_u) 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.

Сигнал U_вх (фиг.3.е) поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 1. Так как инвертирующий вход

дифференциального усилителя 1 соединен с выходом повторителя на операционном усилителе 3, на него поступает сигнал U_{вых.повт} (фиг.3.ж). Коэффициент передачи дифференциального усилителя 1 напряжения К>1. В силу этого, имеет место соотношение:

Фактически, на выходе дифференциального усилителя 1 формируется скачек напряжения, стремящейся к уровню напряжения питания ±Е_п дифференциального усилителя 1 (фиг.3.ж).

Импульс запуска, поступающий на вход управления устройства выборки и хранения в момент времени t ₀ (фиг.3.а) подвергается:

- укорочению (формируется импульс длительностью t_y=t₁-t ₀), посредством формирователя укороченного импульса 5;

- сдвигу (импульс задерживается на время t_c=t₁-t ₀), посредством элемента задержки 6.

Причем t_c>t_y.

Укороченный импульс t_y переводит триггер 4 в единичное состояние (фиг.3.в).

С момента времени t ₂ 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):

где U_c - напряжение на конденсаторе хранения 9 в период выборки;

U _c.оз ˜ остаточное напряжение заряда конденсатора хранения 9 в период выборки, соответствует (без учета спада выходного напряжения) U_c предыдущей выборки;

U_вых.ус - напряжение на выходе дифференциального усилителя 1;

- постоянная времени цепи перезаряда конденсатора хранения 9. Так как конденсатор хранения 9 подключен ко входу повторителя на

операционном усилителе 3, то на выходе последнего будет напряжение, соответствующее значению напряжения U _c. Момент равенства напряжений U_с и U_вx отслеживается схемой сравнения 2 (фиг.3.и, к, л). Импульс, сформированный на выходе схемы сравнения 2 (фиг.3.л) в момент времени t₃ 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 t₃ завершается период выборки. Устройство выборки и хранения переходит в режим хранения. Повторно цикл работы устройства возобновляется в момент времени t ₆(t₀) 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.

Причем, знак «+» или «-» определяется соотношением входного U_вх и выходного U _{вых.повт}=U_c: напряжений (посредством дифференциального усилителя 1) в момент времени t ₂.

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:

- n - относительное время (выражает текущее время t в долях )

n=t/(8)

- n_u - коэффициент пропорциональности между входным U_вх и остаточным напряжением заряда накопительного конденсатора U_с.оз

n_u=U_с.оз/U _вх(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).

График функции n=(n_u), для типового значения относительной погрешности =0,1%, в диапазоне 0<n_u<2 (0<|U _с.оз|<2·|U_вх|), приведен на фиг.4.

2) В случае предлагаемого устройства, с учетом (8) и (9):

причем:

Графики функции n.=(n_u), (12.а-г), для типового значения относительной погрешности =0,1%, в диапазоне (0<|U_с.оз|<2·|U _вx=±5 В|), при напряжении питания ИМС УВХ E=±15 В, имеют одинаковый вид и приведены на фиг.5.

Как следует из анализа фиг.4 и фиг.5, предлагаемое устройство выборки и хранения характеризуется лучшими показателями по параметру время выборки (n_{.прндлагаемый}=0,405; n_{.прототипа}=6,908).

И так, предлагаемое устройство характеризуется тем, что:

1) время установления равенства U_с=U_вх (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).

То есть, в предлагаемом устройстве имеет место повышение точности установления выходного напряжения, сокращение времени выборки t_{выборки} при одновременном увеличении времени хранения t_{хранения}.

Устройство выборки и хранения, содержащее аналоговый ключ, к выходу которого подключены входы конденсатора хранения и повторителя на операционном усилителе, отличающееся тем, что в устройство введены дифференциальный усилитель напряжения, триггер, схема сравнения, формирователь укороченного импульса, элемент задержки, элемент И, причем 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; 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.