Патент на изобретение №2342715

(54) УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ И ХРАНЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано в аналого-цифровых системах обработки сигналов. Техническим результатом является сокращение времени выборки t_{выборки} при одновременном увеличении времени хранения t_{хранения} и увеличении точности установления выходного напряжения. Устройство выборки и хранения содержит неинвертирующий усилитель напряжения (1), схему сравнения (2), повторитель на операционном усилителе (3), триггер (4), аналоговый ключ (5), конвертор положительного емкостного сопротивления (6). 2 з.п. ф-лы, 6 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 t_{выборки}, малое значение величины времени хранения t_{хранения}, низкая точность установления выходного напряжения.

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 (аналогового 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 t_{выборки}, малое значение величины времени хранения t_{хранения}, низкая точность установления выходного напряжения.

Раскрытие изобретения

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

Технический результат достигается тем, что в устройство выборки и хранения, содержащее аналоговый ключ, выход которого подключен к входу повторителя на операционном усилителе, введены неинвертирующий усилитель напряжения, триггер, схема сравнения, конвертор положительного емкостного сопротивления; причем информационный вход устройства выборки и хранения одновременно является входом неинвертирующего усилителя напряжения и вторым входом схемы сравнения, первый вход которой соединен с выходом повторителя на операционном усилителе и выходом устройства выборки и хранения; выход схемы сравнения подключен к R-входу триггера, S-вход которого служит входом управления устройства выборки и хранения; выход триггера подключен к входу управления аналогового ключа, вход которого соединен с выходом неинвертирующего усилителя напряжения; вход конвертора положительного емкостного сопротивления подключен к соединенным выходу аналогового ключа и входу повторителя на операционном усилителе.

Схема сравнения содержит два компаратора и схему ИЛИ-НЕ, входы которой являются выходами компараторов, а выход служит выходом схемы сравнения; разноименные входы компараторов соединены между собой и со входами схемы сравнения.

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 структурная схема устройства выборки и хранения.

На фиг.2 приведена структурная схема схемы сравнения.

На фиг.3 приведена функциональная схема конвертора положительного емкостного сопротивления.

На фиг.4 приведены эквивалентные схемы устройства выборки и хранения, причем:

а – эквивалентная схема цепи перезаряда искусственной емкости;

б – эквивалентная схема цепи заряда искусственной емкости;

в – эквивалентная схема цепи разряда искусственной емкости.

На фиг.5 приведены эквивалентные схемы прототипа, причем:

а – эквивалентная схема цепи перезаряда емкости конденсатора

хранения;

б – эквивалентная схема цепи заряда емкости конденсатора хранения;

в – эквивалентная схема цепи разряда емкости конденсатора хранения.

На фиг.6 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Осуществление изобретения

Устройство выборки и хранения содержит неинвертирующий усилитель напряжения 1, вход которого одновременно является информационным входом устройства выборки и хранения и вторым входом схемы сравнения 2, первый вход которой соединен с выходом повторителя на операционном усилителе 3 и выходом устройства выборки и хранения; выход схемы сравнения 2 подключен к R-входу триггера 4, S-вход которого служит входом управления устройства выборки и хранения; выход триггера 4 подключен к входу управления аналогового ключа 5, вход которого соединен с выходом неинвертирующего усилителя напряжения 1, а выход подключен к входам конвертора положительного емкостного сопротивления 6 и повторителя на операционном усилителе 3.

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

Схема сравнения 2 содержит компараторы 7, 8 и схему ИЛИ-НЕ 9, входы которой являются выходами компараторов 7, 8, а выход служит выходом схемы сравнения 2; разноименные входы компараторов 7, 8 соединены между собой и со входами схемы сравнения 2.

Структурная схема схемы сравнения 2 приведена на фиг.2.

Конвертор 6 положительного емкостного сопротивления содержит конденсатор 10 (С), операционные усилители 11 (ОУ1) и 13 (ОУ2), резисторы 12 (R1), 14 (R2), 15 (R3), 16 (R4), причем конденсатор 10 одним контактом заземлен, вторым контактом подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 11 и входу резистора 12, выход которого подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 13 и входу резистора 14, выход которого соединен непосредственно с выходом операционного усилителя 13 и через резистор 15 подключен к параллельно соединенным неинвертирующему входу операционного усилителя 13, выходу операционного усилителя 11 и входу резистора 16, выход которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 11 и входом конвертора 6 положительного емкостного сопротивления.

Функциональная схема конвертора 6 положительного емкостного сопротивления приведена на фиг.3.

Схема сравнения 2 работает следующим образом.

Компараторы 7 и 8, входящие в состав схемы сравнения 2, включены параллельно, при этом их входы соединены встречно, в результате выходные сигналы будут противофазны (фиг.6, д, е), а значит, в момент равенства сигналов на входе схемы сравнения 2 (фиг.6, г) будут иметь место нулевые уровни напряжения на входах схемы ИЛИ-НЕ 9, а значит, единичный уровень на выходе схемы сравнения 2.

Работа устройства поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.6.

Устройство выборки и хранения работает следующим образом.

Сигнал U_вх (фиг.6, а) поступает на вход неинвертирующего усилителя 1 с коэффициентом передачи К>1. На выходе неинвертирующего усилителя 1 будет формироваться напряжение, равное К·U_вх=U_{вых.НУН} (фиг.6, г).

Импульс запуска, поступающий на вход управления устройства выборки и хранения в момент времени t₀ (фиг.6, б), переводит триггер 4 в единичное состояние, ознаменовывая, тем самым, период выборки. Высокий потенциал с выхода триггера 4 переключает аналоговый ключ 5 в замкнутое состояние, обеспечивая тем самым перезаряд искусственной емкости, создаваемой конвертором 6 положительного емкостного сопротивления, согласно выражению

где U_с.кон – напряжение на искусственной емкости, создаваемой конвертором 6 в период выборки;

U_{c.кон.оз} – остаточное напряжение заряда искусственной емкости, создаваемой конвертором 6 в период выборки, соответствует (без учета спада выходного напряжения) U_с.кон предыдущей выборки;

U_{вых.НУН} – напряжение на выходе неинвертирующего усилителя 1;

_кон – постоянная времени цепи перезаряда искусственной емкости, создаваемой конвертором 6.

Так как искусственная емкость, создаваемая конвертором 6 положительного емкостного сопротивления, подключена к входу повторителя на операционном усилителе 3, то на выходе последнего будет напряжение, соответствующее значению напряжения U_с.кон. Момент равенства напряжений U_с.кон и U_вх отслеживается схемой сравнения 2 (фиг.6, г, ж). Импульс, сформированный на выходе схемы сравнения 2 (фиг.6, ж) в момент времени t₂ (фиг.6, в) переключает триггер 4 в нулевое состояние, размыкая тем самым аналоговый ключ 5. В момент времени t₂ завершается период выборки. Устройство выборки и хранения переходит в режим хранения. Повторно цикл работы устройства возобновляется в момент времени t₃(t₀) поступления импульса запуска на управляющий вход устройства.

В результате использования в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, неинвертирующего усилителя 1 с коэффициентом передачи K>1 предыдущее выражение можно представить в виде

То есть напряжение, подаваемое на искусственную емкость, создаваемую конвертором 6 положительного емкостного сопротивления, в предлагаемом устройстве будет в К раз больше напряжения, подаваемого на конденсатор хранения в случае прототипа. А значит:

1) время установления равенства U_с.кон=U_вх (период выборки) в предлагаемом устройстве будет, как минимум, в 1,5·К раз меньше, чем в случае прототипа (так как в прототипе заряд конденсатора до напряжения U_вх осуществляется по экспоненте, а в предлагаемом устройстве – линейно);

2) точность установления выходного напряжения в предлагаемом устройстве будет несколько выше, чем в прототипе, так как в отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве напряжение смещения усилителей не оказывает влияния на точность установления выходного напряжения (точность установления выходного напряжения определяется прежде всего быстродействием 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).

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 6 положительного емкостного сопротивления в качестве нагрузки выступает конденсатор 10 (С).

Входное сопротивление конвертора 6 положительного емкостного сопротивления с учетом коэффициента передачи неинвертирующего операционного усилителя 1 и уровня напряжения входного сигнала (в целях проведения сравнительной оценки с прототипом) определяется соотношением [3, с.218]

где – комплексное сопротивление емкостного элемента (конденсатора 10)

– циклическая частота сигнала (гармоник сигнала) входного воздействия;

С – емкость конденсатора;

К_к – коэффициент конверсии.

Фактически конвертор 6 положительного емкостного сопротивления является имитатором емкости, сопротивление которой прямо пропорционально коэффициенту конверсии, а величина емкости обратно пропорциональна коэффициенту конверсии. Иначе говоря, величина искусственной емкости, создаваемой конвертором 6, эквивалентна величине емкости конденсатора хранения прототипа и будет определяться соотношением

Принимая К_к<<1, получим С_хр>>С.

Вместе с тем, следует помнить, что на вход конвертора 6 положительного емкостного сопротивления подается напряжение U_вх.кон=U_{вых.НУН}=К·U_вх, а значит, входной ток конвертора 6 (но не конденсатора 10, ток которого в К_к раз меньше тока конвертора) будет превышать ток, протекающий при перезаряде емкости конденсатора прототипа в K раз.

Важнейшим свойством конвертора 6 положительного емкостного сопротивления, в совокупности со схемой сравнения 2, является выполнение равенств

При соблюдении условия

ток заряда (перезаряда) конденсатора 10 конвертора 6 положительного емкостного сопротивления будет значительно меньше тока заряда (перезаряда) конденсатора хранения прототипа, следовательно, опасность появления глитчей [1, с.145] в предлагаемом устройстве будет существенно меньше и необходимость использования резистора ограничения, как в прототипе, отпадает. А значит, постоянная времени заряда искусственной емкости (фиг.4,б)

_з.кон=R_АК·С_кон,

где R_AK – проходное сопротивление замкнутого аналогового ключа 2;

С_кон – величина искусственной емкости, создаваемой конвертором 6, будет, как минимум, в два раза меньше, чем в случае прототипа, фиг.5,б

_з.хр=(R_АК+R_огр)·C_хр,

где R_огр – сопротивление резистора ограничения прототипа;

С_хр – величина емкости конденсатора хранения прототипа, так как R_AKогр.

Правомерность использования фиг.4,б и 5,б обусловлена выполнением условий

То есть в предлагаемом устройстве имеет место уменьшение времени выборки t_{выборки} за счет уменьшения постоянной времени заряда (перезаряда) искусственной емкости, создаваемой конвертором 6 положительного емкостного сопротивления.

Исключение из схемы предлагаемого устройства резистора ограничения не оказывает влияния на постоянную разряда (хранения) конденсатора (фиг.4,в,.5,в):

_х.кон=R_вх.ОУ4·C_кон

_х.хр=(R_огр+R_вх.ОУ4)·C_хрR_вх.ОУ4·C_хр

в силу выполнения условий R_огр<вх.ОУ4, а значит, не приведет к уменьшению времени хранения t_{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_.ут – сумма токов утечки элементов схемы, основную долю которого составляет ток утечки I_ут конденсатора хранения.

Спад выходного напряжения определяет время хранения t_{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., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2004. – 368 с.: ил.).

Полная проводимость диэлектрика конденсатора складывается из объемной _v и поверхностной _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 6 положительного емкостного сопротивления предлагаемое устройство выборки и хранения будет характеризоваться значительно большим временем хранения t_{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] – Терещук P.M., Терещук К.М., Седов С.А. 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

P_a=P_p·tg=U_c·I_c·tg,

где Р_р – реактивная мощность;

tg – тангенс угла потерь диэлектрика.

С учетом условия I_cс.хр, имеющим 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 t_{хранения} в сравнении с прототипом.

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

1) сокращение времени выборки t_{выборки}

а) за счет увеличения скорости заряда емкости конденсатора нагрузки конвертора 6 положительного емкостного сопротивления;

б) за счет уменьшения постоянной времени заряда (перезаряда) искусственной емкости, создаваемой конвертором 6 положительного емкостного сопротивления;

2) увеличение времени хранения t_{хранения} за счет уменьшения токов утечки искусственной емкости, создаваемой конвертором 6 положительного емкостного сопротивления;

3) увеличение точности установления выходного напряжения, так как в предлагаемом устройстве напряжение смещения усилителей не оказывает влияния на точность установления выходного напряжения.

Формула изобретения

1. Устройство выборки и хранения, содержащее аналоговый ключ, выход которого подключен к входу повторителя на операционном усилителе, отличающееся тем, что в устройство введены неинвертирующий усилитель напряжения, триггер, схема сравнения, конвертор положительного емкостного сопротивления, причем информационный вход устройства выборки и хранения одновременно является входом неинвертирующего усилителя напряжения и вторым входом схемы сравнения, первый вход которой соединен с выходом повторителя на операционном усилителе и выходом устройства выборки и хранения; выход схемы сравнения подключен к R-входу триггера, S-вход которого служит входом управления устройства выборки и хранения; выход триггера подключен к входу управления аналогового ключа, вход которого соединен с выходом неинвертирующего усилителя напряжения; вход конвертора положительного емкостного сопротивления подключен к соединенным выходу аналогового ключа и входу повторителя на операционном усилителе.

2. Устройство выборки и хранения по п.1, отличающееся тем, что схема сравнения содержит два компаратора и схему ИЛИ-НЕ, входы которой являются выходами компараторов, а выход служит выходом схемы сравнения; разноименные входы компараторов соединены между собой и со входами схемы сравнения.

3. 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.

РИСУНКИ