Операционные усилители. Аналоговые вычисления. Устройство выборки и хранения. Компараторы, страница 4

Пусть входное напряжение больше нуля. На выходе интегратора формируется линейно уменьшающееся напряжение. Когда это напряжение станет равным пороговому напряжению компаратора (допустим нулевому), компаратор формирует на выходе перепад, запускающий формирователь. Формирователь вырабатывает импульс фиксированной длительности, который вызывает изменение состояния ключа S. Ко входу интегратора через резистор R₂ вместо нуля подключается источник опорного напряжения, имеющий полярность, противоположную входному напряжению. Теперь во время длительности импульса, интегрируется напряжение, равное разности входного и опорного. Напряжение на входе компаратора линейно возрастает. После окончания импульса процесс повторяется. Чем больше входное напряжение, тем выше скорость уменьшения напряжения на входе компаратора.

Устройство выборки и хранения

Устройство выборки и хранения (УВХ) служит для уменьшения погрешности аналого-цифровых преобразователей (АЦП), связанной с изменением входного сигнала во время преобразования. На рис.  Приведена схема идеального УВХ и иллюстративная временная диаграмма.

При поступлении команды «Выборка» замыкается ключ S₁ и конденсатор С начинает заряжаться (разряжаться) до уровня входного напряжения. Спустя некоторое время (время захвата) напряжение на конденсаторе начнет отслеживать U_вх. с определенной погрешностью. По команде «Хранение» ключ S₁ разомкнется, и устройство перейдет в режим хранения запомненного входного сигнала. Со временем выходное напряжение УВХ изменяется за счет утечки заряда запоминающего конденсатора. Требования, предъявляемые к величине ёмкости конденсатора противоречивы. Чем больше ёмкость, тем медленнее конденсатор разряжается в режиме хранения, но и тем медленнее он заряжается в режиме выборки. Номинал конденсатора выбирается таким образом, чтобы получить наименьшее время захвата (заряда) при условии, что за время одного цикла преобразования АЦП конденсатор разряжался не более чем на половину единицы младшего разряда. Что касается выбора типа конденсатора, то здесь справедливо всё, что было сказано по этому поводу при рассмотрении интеграторов. УВХ характеризуется параметрами.

1.  Время запоминания–время необходимое для заряда конденсатора с заданной точностью; измеряется от момента 0,5U_упр.

2.  Ошибка коэффициента передачи–разность между входным и выходным напряжениями, вызванная неидеальностью установки коэффициента передачи.

3.  Утечка заряда–изменение напряжения на запоминающем конденсаторе, обусловленная неидеальностью конденсатора, влиянием цепей управления ключами, входным током выходного усилителя.

4.  Коэффициент передачи входного напряжения в режиме хранения–доля входного напряжения, проходящая на выход в режиме хранения.

5.  Апертурное время–время переключения ключа из режима выборки в режим хранения.

6.  Эффективное апертурное время–разность времени распространения аналогового и цифрового сигналов от входа до ключа; может быть отрицательным (быстрее от цифрового входа), нулевым и положительным;

7.  Апертурная неопределенность–случайное изменение апертурного времени

На рис  приведены практические схемы УВХ на базе микросхем SCH5320 фирмы Burr-Drown.

 

Компараторы

Компаратор–это устройство, сравнивающее два входных напряжения и вырабатывающее выходной сигнал, зависящий от их разности. Базовая схема компаратора и его передаточная характеристика показаны на рис.  .

При U_вх. > U_оп. на выходе компаратора устанавливается отрицательное напряжение насыщения усилителя (–U_нас.), а при U_вх. < U_оп.–положительное. Компаратор должен переключаться из одного состояния в другое с максимальной скоростью. Приведенный на рисунке компаратор не замкнут цепью обратной связи, поэтому проблем с обеспечением его устойчивости не возникает.

Как правило входное напряжение содержит шумовую составляющую и выходное напряжение компаратора может флуктуировать между уровнями  + U_нас и – U_нас. Исключить этот эффект можно введением положительной обратной связи, как это показано на рис.  , но при этом может возникнуть проблема обеспечения устойчивости.

При высоком уровне входного напряжения выходное напряжение через резистор R₂ передается на вход и суммируется с опорным Опорное напряжение как бы возрастает на величину  и компаратор будет переключаться не при U_вх. > U_оп., а при U_вх. > U_оп + ΔU_оп+.. Более того, введение положительной обратной связи обеспечивает более быстрое, лавинообразное переключение компаратора. После переключения на выходе компаратора установиться отрицательное напряжение насыщения, часть которого поступит на вход. Эта часть равна , что эквивалентно изменению опорного напряжения на величину ΔU_оп–, то есть U_оп+ = U_оп – ΔU_оп–. Передаточная характеристика такого компаратора становится похожей на петлю гистерезиса. Если величина шума не превышает ΔU, он не будет вызывать изменений выходного напряжения компаратора. Ширину петли гистерезиса можно задавать, изменяя значение резистора R₁.