Схемы выборки-хранения. Источники погрешностей устройств выборки-хранения. Запоминание амплитуд коротких импульсов

Схемы выборки-хранения

Часто возникает необходимость измерения или запоминания изменяющегося сигнала в определенный момент времени. Схемы, обеспечивающие выборку мгновенного значения входного сигнала и хранение его заданное время с необходимой точностью называются устройствами выборки-хранения (УВХ).

Для этого можно использовать быстродействующие АЦП. Выходная информация с выхода АЦП запоминается в ЗУ, а затем ее можно воспроизвести с помощью ЦАП.  Однако такие устройства дороги и имеют ограниченную быстродействие и точность.

Очень часто в УВХ используются аналоговые ключи, емкость и операционный усилитель. Аналоговый ключ К  (рис.1) замыкается на короткий момент и  емкость С  заряжается до значения напряжения сигнала V вх. в этот момент времени. Затем ключ  размыкается и напряжение на емкости считывается на выходе операционного усилителя. Операционный усилитель и аналоговый ключ должны иметь возможно малые токи утечки, чтобы напряжение на емкости сохранялось необходимое время.

После замыкания ключа  при V вх. = const напряжение на емкости увеличивается, стремясь к V вх. с постоянной времени t = (Rкл + Rг) × С. Для точного запоминания сигнала V вх. в этом случае ключ должен быть замкнут в течение нескольких t.

Однако даже если ключ был замкнут достаточно долго, напряжение на емкости может отличаться от входного, если на входе напряжение быстро изменяется. При этом также возникает погрешность выборки. В обеих случаях для уменьшения погрешности запоминания нужно либо увеличивать время замкнутого состояния ключа, или/и уменьшать сопротивление ключа и емкость С. В последнем случае увеличиваются погрешности во время хранения из-за утечек в цепи емкости С. Задачей разработчика является оптимизация элементов УВХ для получения заданных параметров.

Источники погрешностей УВХ.

1. Инерционность схемы заряда емкости. Напряжение на емкости С отличается от напряжения V вх. в момент размыкания ключа.
2. Погрешности хранения из-за утечек ключа К и входного тока ОУ.
3. Погрешность из-за помех коммутации.
4. Погрешность из-за нелинейности сопротивления ключа.
5. Апертурная погрешность имеет постоянную составляющую и апертурную неопределенность. Постоянная составляющая апертурной погрешности (апертурный сдвиг) определяется постоянной задержкой срабатывания ключа. Апертурная неопределенность связана с конечным временем перехода ключа из открытого в закрытое состояние. При медленно изменяющихся сигналах напряжение на емкости С отслеживает входное напряжение почти до конца перехода ключа в состояние Rкл. . Для быстро изменяющегося напряжения V вх. это уже не так.

Параметры УВХ можно улучшить, использую следящую обратную связь. Операционный усилитель ОУ1 усиливает  в К раз разность напряжений на емкости Vc и Vвх. и усиленное напряжение при замыкании ключа форсированно заряжает емкость С через сопротивление ключа Rкл до значения, близкого к Vвх. Определим постоянную времени заряда емкости С в этой схеме. Можно записать:

Здесь Ik – ток через ключ при его замыкании. Решая это уравнение, получим зависимость напряжения на емкости С от времени  считая, что ключ замыкается в момент t = 0, а емкость С в этот момент разряжена.

, здесь t’ = Rкл × С/(К+1)

Обычно коэффициент усиления операционных усилителей имеет порядок десятков и сотен тысяч, поэтому большая часть времени заряда емкости С происходит при работе ОУ в нелинейном режиме и скорость заряда ограничена ресурсом выходного тока этого усилителя, а также максимальной скоростью нарастания его выходного напряжения.

Для УВХ со следящей обратной связью используются быстродействующие усилители с большой скоростью нарастания выходного напряжения: 574УД1 (dVвых/dt > 100 В/мксек), 154УД4 (dVвых/dt > 400 В/мксек).

Запоминание амплитуд коротких импульсов

В таких схемах часто используются быстродействующие диоды с малым накопленным зарядом и малой барьерной емкостью (рис.2). Погрешности схемы определяются дрейфом напряжения смещения в зависимости от температуры, а скорость запоминания напряжения на емкости зависит от дифференциального сопротивления диода, сопротивления источника сигнала и величины емкости С. Вместо диода может быть использован транзистор, включенный по схеме эмиттерного повторителя. Если быстродействие операционного

усилителя достаточно для обработки сигнала, то можно использовать следящую обратную связь (рис.3).  Операционный усилитель ОУ1 через диод заряжает емкость С до входного напряжения Vвх, если Vвх. увеличивается. В противоположном случае напряжение на емкости С остается постоянным. Таким образом на емкости запоминается максимальное напряжение сигнала за некоторый промежуток времени. Для разряда емкости перед следующим измерением используется ключ К.

	Рис. 3. Запоминатель максимального значения сигнала со следящей обратной связью.

 

На рис. 4 показана схема, выполняющая операцию нахождения модуля входного сигнала: Vвых. = |Vвх.|

Рис.4. Схема определения модуля входного сигнала

Если входное напряжение Vвх. > 0, то входной ток Vвх./R замыкается через диод Д1 и напряжение в точке 1 равно -Vвх., т.е. сигнал инвертируется усилителем ОУ1. Ток I2 при этом равен нулю. Второй усилитель ОУ2 еще раз инвертирует сигнал, поэтому для этого случая Vвых. = Vвх.

Если входное напряжение ниже Vвх.< 0, то открыт диод Д2. При этом по закону Кирхгофа для узла 2 можно записать:

, отсюда     

Далее для Vвых.:

, и

Амплитудное детектирование синусоидальных сигналов.

Для амплитудного детектирования сигналов на низких частотах до единиц мегагерц может быть использована схема нахождения модуля, данная выше. Однако для более высоких частот, например на сотнях и тысячах мегагерц такую схемы использовать невозможно из-за ограниченной полосы пропускания операционных усилителей. При этом используют схемы детектирования с помощью высокочастотных диодов.

Простая схемы, которая часто приводится в учебниках, имеет ряд существенных недостатков. Коэффициент передачи схемы имеет низкую температурную стабильность  из-за дрейфа падения напряжения на открытом диоде, также существенна нелинейность передаточного коэффициента  при малых амплитудах входного синусоидального сигнала.

Приведенная схема  на рис. 4 схема имеет диапазон изменения амплитуды входного сигнала от 0.1 В до 15В. При этом относительная погрешность преобразования в этом диапазоне не превышает 5%. Выход  схемы имеет начальный «наброс» V₀,  т.е. при отсутствии входного сигнала выходное напряжение детектора должно быть равно + 60 мВ. Это необходимо для получения линейности преобразования в указанном диапазоне.