Устройства выборки-хранения и пиковые детекторы

При преобразовании аналогового сигнала в цифровой код требуется в определенный момент времени выбрать мгновенное значение напряжения этого сигнала и запомнить его на некоторое время, в течение которого производится преобразование. Для этих целей используется устройство выборки-хранения (УВХ), простейшая схема которого имеет вид, показанный на рис. 8.6, а. Если ключ замкнут, то происходит заряд конденсатора от источника входного сигнала с постоянной времени . При разомкнутом ключе конденсатор хранит какое-то время мгновенное значение входного напряжения. Чтобы в режиме хранения напряжение на конденсаторе изменялось мало, должна быть достаточно большой постоянная времени разряда конденсатора, т.е. должны быть большими сопротивление разомкнутого ключа () и входное сопротивление буферного усилителя (). Напряжение на конденсаторе в режиме хранения изменяется не только за счет разряда через и , но и за счет тока утечки конденсатора и токов смещения ОУ. Кроме того, несоответствие напряжения на выходе ОУ напряжению вызывается также напряжением дрейфа ОУ. Все эти причины приводят к погрешности преобразования, поэтому их влияние необходимо свести к минимуму за счет соответствующего выбора ключа, операционного усилителя и конденсатора.

В режиме хранения напряжение на конденсаторе при прочих равных условиях будет изменяться тем меньше, чем больше емкость конденсатора. Однако при увеличении емкости конденсатора увеличивается и время его заряда в режиме выборки, что также приводит к ошибке преобразования, поскольку зафиксированная на конденсаторе величина напряжения не будет соответствовать величине действующего в данный момент напряжения на входе УВХ. Время заряда конденсатора можно уменьшить, уменьшив сопротивление заряда за счет отрицательной обратной связи по напряжению, например, как показано на рис. 8.6, б.

При замкнутом ключе и разомкнутом (режим выборки) в схеме рис. 8.6, б действует отрицательная обратная связь (ООС) с петлевым усилением , поэтому сопротивление заряда конденсатора, равное сумме выходного сопротивления ОУ2 и сопротивления замкнутого ключа , уменьшается примерно в раз. Поскольку в этом режиме и ОУ1, и ОУ2 охвачены глубокой ООС, напряжения на их инвертирующих и неинвертирующих входах оказываются одинаковыми (см. подразд. 3.1), а напряжение на конденсаторе строго повторяет напряжение . В режиме хранения (ключ разомкнут, а замкнут) схема рис. 8.6, б работает точно так же, как и схема рис. 8.6, а. Ключ в схеме рис. 8.6, б используется для организации местной ООС, когда общая связь разрывается (разомкнут), что исключает режим насыщения ОУ2. Однако при переходе от режима хранения к режиму выборки (в момент замыкания ключа и размыкания ), в связи с тем что напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ2 не совпадают, ОУ2 входит в режим насыщения, и конденсатор C, хотя и не действует общая ООС, сравнительно быстро перезаряжается под действием повышенного напряжения с выхода ОУ2. Когда напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением на неинвертирующем входе ОУ2, а сам усилитель выйдет из режима насыщения, начнет действовать общая ООС, а УВХ – функционировать в режиме слежения за входным сигналом. УВХ выпускаются в виде интегральных схем, в частности 1100СК2, 1103СК2.

Пиковый детектор (ПД), в отличие от УВХ, производит выборку не мгновенного значения входного напряжения, а его максимального значения (положительного или отрицательного) на заданном интервале времени. В схеме рис. 8.7, а при разомкнутом ключе , если напряжение превышает напряжение на конденсаторе () на величину , то происходит дозаряд конденсатора через открытый диод , если же , то диод закрыт и сохраняется зафиксированное ранее значение напряжения. Кроме погрешностей, вызванных, как и в соответствующей схеме УВХ, ненулевым временем заряда и конечным временем разряда конденсатора , в схеме ПД рис. 8.7, а погрешность возникает также за счет неидеальности детекторной характеристики простейшего детектора (см. рис. 3.17, б и в). При замыкании ключа напряжение на конденсаторе сбрасывается до уровня входного мгновенного напряжения (как в схеме рис. 8.7, а) или до нуля. В момент размыкания ключа начинается новый цикл выборки максимального значения напряжения.

Преимущества схемы рис. 8.7, б по сравнению со схемой рис. 8.7, а связаны не только с уменьшением времени заряда конденсатора , но и со свойствами прецизионного амплитудного детектора (см. рис. 3.18), в который превращается ПД со схемой рис. 8.7, б после размыкания ключа (буферный усилитель на ОУ1 имеет единичный коэффициент передачи). Отличие заключается только в том, что в схеме рис. 8.7, б входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ2, тогда как в схеме рис. 3.18, а это невозможно, поскольку в этом случае при ненулевом напряжении на неинвертирующем входе ОУ и открытом диоде напряжение на инвертирующем входе ОУ, повторяя напряжение на его неинвертирующем входе, поступает через на конденсатор фильтра и в нагрузку. В схеме рис. 8.7, б это исключается за счет развязки, обеспечиваемой буферным усилителем.

Дата добавления: 2014-10-17