Устройство выборки и хранения

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано в аналого-цифровых системах обработки сигналов. Техническим результатом является сокращение времени выборки Δt_{выборки} при одновременном увеличении времени хранения Δt_{хранения}. Устройство выборки и хранения содержит два операционных усилителя (1, 6), аналоговый ключ (2), два диода (3, 4), резистор (5) цепи обратной связи, конвертор (7) положительного емкостного сопротивления. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

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, содержащее два аналоговых ключа (выполненных на базе полевых транзисторов), два буферных усилителя (выполненных на базе операционных усилителей), накопительный конденсатор, причем в режиме выборки второй аналоговый ключ разомкнут, а первый аналоговый ключ замкнут, обеспечивая тем самым заряд накопительного конденсатора до уровня входного сигнала; в режиме хранения второй аналоговый ключ замкнут, обеспечивая большое входное сопротивление устройства выборки и хранения, а первый аналоговый ключ разомкнут, запоминающий конденсатор изолируется им от источника сигнала, а от нагрузки - вторым буферным повторителем ([1, с.143-145, рис.4.3] - В.А.Никамин. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Справочник. - СПб.: КОРОНА принт; М.: «Альтекс-А», 2003. - 224 с.: ил.).

Недостатком указанного устройства является большое значение величины времени выборки Δt_{выборки} и малое значение величины времени хранения Δt_{хранения}.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятое авторами за прототип, является устройство выборки и хранения, содержащее аналоговый ключ, два операционных усилителя, 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 ([2, с.40, рис.52] - Микросхемы АЦП и ЦАП / Г.И.Волович, В.Б.Ежов. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - 432 с.: ил. + CD).

Недостатком указанного устройства является большое значение величины времени выборки Δt_{выборки}, малое значение величины времени хранения Δt_{хранения}.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к сокращению времени выборки Δt_{выборки} при одновременном увеличении времени хранения Δt_{хранения}.

Технический результат достигается тем, что в устройство выборки и хранения, содержащее аналоговый ключ, два операционных усилителя, резистор цепи обратной связи, два встречно включенных диода, 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 устройства выборки и хранения и инвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого служит выходом устройства выборки и хранения; вход управления устройства выборки и хранения является входом управления аналогового ключа, выход которого соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, введен конвертор положительного емкостного сопротивления, причем вход последнего подключен к соединенным выходу аналогового ключа и неинвертирующему входу второго операционного усилителя.

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.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства выборки и хранения.

На фиг.2 приведены эквивалентные схемы устройства выборки и хранения, причем:

2.а - эквивалентная схема цепи перезаряда искусственной емкости;

2.б - эквивалентная схема цепи заряда искусственной емкости;

2.в - эквивалентная схема цепи разряда искусственной емкости.

На фиг.3 приведены эквивалентные схемы прототипа, причем:

3.а - эквивалентная схема цепи перезаряда емкости конденсатора хранения;

3.б - эквивалентная схема цепи заряда емкости конденсатора хранения;

3.в - эквивалентная схема цепи разряда емкости конденсатора хранения.

Осуществление изобретения

Устройство выборки и хранения содержит операционные усилители 1 (ОУ1) и 6 (ОУ2), аналоговый ключ 2, диоды 3 (D1) и 4 (D2), резистор 5 (R1) цепи обратной связи, конвертор 7 положительного емкостного сопротивления, причем вход устройства выборки и хранения 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 которого служит выходом устройства выборки и хранения; вход управления устройства выборки и хранения является входом управления аналогового ключа 2, выход которого одновременно подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 6 и входу конвертора 7 положительного емкостного сопротивления.

Функциональная схема устройства выборки и хранения приведена на фиг.1.

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, вторым контактом подключен 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 входом конвертора 7 положительного емкостного сопротивления.

Устройство выборки и хранения работает следующим образом.

Когда аналоговый ключ находится в замкнутом состоянии (режим выборки), 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 коммутатора (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). При размыкании аналогового ключа 2 управляющим сигналом выходное напряжение остается неизменным. Резистор 5 цепи обратной связи и диоды 3, 4 предотвращают насыщение операционного усилителя 1 которое могло бы возникнуть из-за размыкания общей отрицательной обратной связи в этом режиме. Это снижает время переходного процесса при замыкании аналогового ключа 2. Операционный усилитель 1 обеспечивает высокое входное сопротивление устройства выборки и хранения. 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).

В общем случае, конверторы сопротивления представляют собой активные линейные двухполюсники (четырехполюсники), сопротивление (выходное сопротивление) которых пропорционально сопротивлению нагрузки ([3] - Запасный А.И. Основы теории цепей: Учебное пособие. - М.: РИОР, 2006. - 336 с.). При этом, в случае конвертора 7 положительного емкостного сопротивления, в качестве нагрузки выступает конденсатор 8 (С).

Входное сопротивление конвертора 7 положительного емкостного сопротивления определяется соотношением [3, с.218]:

где Z_c - комплексное сопротивление емкостного элемента (конденсатора 8), равное:

где ω - циклическая частота сигнала (гармоник сигнала) входного воздействия;

С - емкость конденсатора;

K_к - коэффициент конверсии.

Фактически, конвертор 7 положительного емкостного сопротивления является имитатором емкости, сопротивление которой прямо пропорционально коэффициенту конверсии, а величина емкости обратно пропорциональна коэффициенту конверсии. Иначе говоря, величина емкости хранения устройства выборки и хранения будет определяться соотношением:

Принимая K_к<1, получим С_хр.>С.

Важнейшим свойством конвертора 7 положительного емкостного сопротивления будет являться условие:

То есть, существенным отличительным признаком конвертора 7 положительного емкостного сопротивления, используемого в предлагаемом устройстве, от конденсатора хранения, используемого в прототипе, является величина емкостного тока (заряд-разряда) реально включенного в схему конденсатора. Иными словами, при использовании конвертора 7 положительного емкостного сопротивления реальный ток перезаряда конденсатора будет в 1/K_к раз меньше, чем в прототипе, следовательно, опасность появления глитчей [1, с.145] будет существенно меньше и необходимость использования резистора ограничения, как в прототипе, отпадает. А значит постоянная времени заряда искусственной емкости (фиг.2.б) определяемая выражением:

где R_AK - проходное сопротивление замкнутого аналогового ключа 2;

С_кон - величина искусственной емкости создаваемой конвертором 7, будет как минимум в два раза меньше, чем в случае прототипа (фиг.3.б):

где R_огр - сопротивление резистора ограничения прототипа;

С_кон - величина емкости конденсатора хранения прототипа, так как R_AK<R_огр.

Правомерность использования фиг.2.б и фиг.3.б обусловлена выполнением условий:

То есть в предлагаемом устройстве имеет место уменьшение времени выборки Δt_{выборки}.

Исключение из схемы предлагаемого устройства резистора ограничения не оказывает влияния на постоянную разряда (хранения) конденсатора (фиг.2.в, фиг.3.в):

в силу выполнения условии R_огр<<R_вхОУ4, а значит не приведет к уменьшению времени хранения Δt_{хранения}.

Основным параметром устройств выборки и хранения в режиме хранения является спад выходного напряжения. Этот параметр характеризует способность устройств выборки и хранения сохранять в заданных пределах образовавшееся на конденсаторе хранения значение выборки, и определяется скоростью его разряда [1, с.141]:

где I_Σ·ут - сумма токов утечки элементов схемы, основную долю которого составляет ток утечки I_ут конденсатора хранения.

Спад выходного напряжения определяет время хранения Δt_{хранения} с заданной допустимой погрешностью.

Ток утечки конденсатора определяется, в свою очередь, сопротивлением изоляции R_из. конденсатора хранения (величиной электропроводности диэлектрика) ([4, с.194-195] - В.В.Пасынков, B.C.Сорокин. Материалы электронной техники: Учебник. 6-е изд. - СПб.: Издательство «Лань», 2004. - 368 с.: ил.).

Полная проводимость диэлектрика конденсатора складывается из объемной ρ_v и поверхностной ρ_s проводимостей:

где R_v - объемное сопротивление материала;

S - площадь электрода (обкладки);

h - толщина слоя диэлектрика,

где R_s - поверхностное сопротивление материала между параллельно поставленными электродами шириной d, отстоящими друг от друга на расстоянии l.

Так как емкость и линейные размеры конденсатора - взаимосвязанные параметры, то из приведенных соотношений следует однозначный вывод, что для конденсаторов с одним и тем же типом диэлектрика, с уменьшением емкости, сопротивление изоляции будет возрастать, а ток утечки уменьшаться.

А значит, в результате введения конвертора 7 положительного емкостного сопротивления, предлагаемое устройство выборки и хранения будет характеризоваться значительно большим временем хранения, Δt_{хранения}, в сравнении с прототипом.

Сопротивление изоляции R_из (проводимость диэлектрика) конденсатора есть величина температурно зависимая. В частности, с повышением температуры R_из резко уменьшается. Так, R_из конденсаторов с органическим диэлектриком при повышении температуры на 10°С уменьшается в 2 раза, а на 100°С - в 1000 раз ([5, с.40] - P.M.Терещук, К.М.Терещук, С.А.Седов. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя. 2-е изд., стер. - Киев: Издательство "Наукова думка", 1982. - 671 с.: ил.). Температура диэлектрика определяется потерями энергии в конденсаторе, прежде всего в диэлектрике. Мощность активных потерь Р_а определяется соотношением:

где Р_р - реактивная мощность;

tgδ - тангенс угла потерь диэлектрика.

С учетом условия I_c<<Ic._хр, имеющего место в предлагаемом устройстве и прототипе, правомерно утверждать, что активная мощность рассеивания, а значит и температура диэлектрика конденсатора, в предлагаемом устройстве будут значительно меньше, чем в прототипе. Следовательно, и ток утечки в предлагаемом устройстве будут значительно меньше, чем в прототипе. А значит в результате введения конвертора 7 положительного емкостного сопротивления предлагаемое устройство выборки и хранения будет характеризоваться значительно большим временем хранения, Δt_{хранения}, в сравнении с прототипом.

То есть в предлагаемом устройстве, по отношению к прототипу, имеет место:

1) сокращение времени выборки Δt_{выборки} за счет уменьшения постоянной времени заряда (перезаряда) искусственной емкости, создаваемой конвертором 7 положительного емкостного сопротивления;

2) увеличение времени хранения Δt_{хранения} за счет уменьшения токов утечки искусственной емкости, создаваемой конвертором 7 положительного емкостного сопротивления.

1. Устройство выборки и хранения, содержащее аналоговый ключ, два операционных усилителя, резистор цепи обратной связи, два встречно включенных диода, причем вход устройства подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, выход которого непосредственно подключен к 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 устройства выборки и хранения и инвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого служит выходом устройства выборки и хранения; вход управления устройства выборки и хранения является входом управления аналогового ключа, выход которого соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, отличающееся тем, что в устройство введен конвертор положительного емкостного сопротивления, причем вход последнего подключен к соединенным выходу аналогового ключа и неинвертирующему входу второго операционного усилителя.

2. Устройство выборки и хранения по п.1, отличающееся тем, что 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.