Устройство выборки и хранения

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано в аналого-цифровых системах обработки сигналов. Техническим результатом изобретения 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.

 

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

Известен способ выборки и хранения, включающий операции:

- усиления входного аналогового сигнала;

- дискретизации входного аналогового сигнала;

- интегрирования дискретов входного аналогового сигнала.

Для реализации данного способа использовано 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 K - коэффициент усиления буферного усилителя.

U_c.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 способ выборки и хранения, включающий операции:

- буферизации входного аналогового сигнала;

- дискретизации входного аналогового сигнала;

- запоминания дискретов входного аналогового сигнала;

- буферизации запомненных дискретов входного аналогового сигнала.

Для реализации данного способа использовано 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 цифроаналоговые 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.

Недостатками указанного способа являются низкая точность запоминания величины напряжения входного сигнала и большое значение величины времени выборки Δt_{выборки}.

Раскрытие изобретения

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

В основе предлагаемого способа выборки и хранения лежат следующие концепции.

1) В устройстве выборки и хранения, взятом за прототип, накопительный конденсатор перезаряжается в соответствии с выражением (2). То есть в режиме перезаряда в устройстве выборки и хранения имеет место коммутационный процесс с ненулевыми начальными условиями. Данное выражение представим в виде, удобном для дальнейшего анализа.

Взаимосвязь времени t (выраженном в долях τ, посредством параметра n_τ - относительного времени) с входным U_вx, выходным U_вых и остаточным напряжением заряда накопительного конденсатора U_с.оз описывается выражением:

Введем параметр n_u, служащий коэффициентом пропорциональности между входным U_вх и остаточным напряжением заряда накопительного конденсатора U_с.оз:

С учетом (5) выражение (4) примет вид:

где , [%] - относительная погрешность представления входного сигнала на выходе устройства (относительная погрешность заряда накопительного конденсатора).

График функции n_τ=f(n_u), для типового значения относительной погрешности δ=0,1%, в диапазоне 0<n_u<2 (0<|U_c.оз|<2·|U_вх|), приведен на фиг.1.

2) В случае замены, в схеме прототипа, первого (входного) буферного усилителя дифференциальным, с коэффициентом K>>1, и инвертирующим входом, подключенным к выходу устройства (второго буферного повторителя), перезаряд накопительного конденсатора будет осуществляться согласно выражению:

С учетом, что коэффициент передачи второго буферного повторителя равен единице, выражение (7) примет вид:

В силу условия K>>1, в начальный момент выборки, когда U_вх≠U_c(t), и вплоть до U_вх≈U_c(t), перезаряд емкости накопительного конденсатора будет осуществляться согласно выражению:

где ±Е - напряжение питания дифференциального усилителя, к которому будет стремиться выходное напряжение дифференциального усилителя, с учетом условия:

В момент равенства значений U_вх и U_c(t) аналоговый ключ принудительно размыкается, процесс выборки завершается. Устройство выборки и хранения переходит в режим хранения.

Руководствуясь выражениями (4)÷(6), предлагаемое схемное решение может быть оценено согласно выражениям (11):

причем:

Графики функции n_τ=f(n_u), (11.a-г), для типового значения относительной погрешности δ=0,1%, в диапазоне (0<|U_c.оз|<2·|U_вх=±5 В|), при напряжении питания ИМС УВХ E=±15 В, имеют одинаковый вид и приведены на фиг.2.

Как следует из анализа фиг.1 и фиг.2, предлагаемый способ выборки и хранения характеризуется лучшими показателями по параметру время выборки {n_{τ.предлагаемый}=0,405; n_{τ.прототипа}=6,908).

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 приведен график функции n_τ=f(n_u) прототипа.

На фиг.2 приведен график функции n_τ=f(n_u) по предлагаемому способу.

На фиг.3 приведена структурная схема устройства выборки и хранения.

На фиг.4 приведена структурная схема схемы сравнения.

На фиг.5 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства.

Осуществление изобретения

Устройство реализации предлагаемого способа 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.3.

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.4.

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.5, и, к). В момент равенства сигналов на входе схемы сравнения 2 (фиг.5, ж, и) будут иметь место ненулевые уровни напряжения на входах элемента И 12, а значит, единичный уровень на выходе схемы сравнения 2 (фиг.5, 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.5.

Устройство выборки и хранения работает следующим образом.

Сигнал U_вх (фиг.5, е) поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя напряжения 1. Так как инвертирующий вход дифференциального усилителя напряжения 1 соединен с выход повторителя на операционном усилителе 3, на него поступает сигнал U_{вых.повт} (фиг.5, ж). В силу того, что коэффициент передачи дифференциального усилителя 1 напряжения K>>1, на его выходе формируется скачек напряжения, стремящийся к уровню напряжения питания ±Е_n дифференциального усилителя 1 (фиг.5, ж).

Импульс запуска, поступающий на вход управления устройства выборки и хранения в момент времени t₀ (фиг.5. а), подвергается:

- укорочению (формируется импульс длительностью Δt_y=t₁-t₀), посредством формирователя укороченного импульса 5;

- сдвигу (импульс задерживается на время Δt_c=t₂-t₀), посредством элемента задержки 6.

Причем Δt_c>Δt_y.

Укороченный импульс Δt_y переводит триггер 4 в единичное состояние (фиг.5, в).

С момента времени t₂ 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 (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_c и U_вх отслеживается схемой сравнения 2 (фиг.5, и, к, л). Импульс, сформированный на выходе схемы сравнения 2 (фиг.5, л), в момент времени t₃ переключает триггер 4 в нулевое состояние (фиг.5, в), размыкая тем самым (посредством элемента И 7) аналоговый ключ 8 (фиг.5, д). В момент времени t₃ завершается период выборки. Устройство выборки и хранения переходит в режим хранения. Повторно цикл работы устройства возобновляется в момент времени t₆(t₀) поступления импульса запуска на управляющий вход устройства.

Реализуемое по предлагаемому способу устройство характеризуется тем, что:

1) время установления равенства U_c=U_вx (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 K 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 реализуемом по предлагаемому способу устройстве имеет место повышение точности установления выходного напряжения, сокращение времени выборки Δt_{выборки} при одновременном увеличении времени хранения Δt_{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.