3.2. Устройства выборки-хранения (увх)

Схема УВХ состоит из:

• аналогового запоминающего элемента (конденсатора);

• ключей, обеспечивающих переход схемы из режима хранения в режим выборки, и наоборот;

• схем управления ключами;

• входного и выходного буферных устройств (ОУ между входом АЦП и аналоговым запоминающим элементом, ОУ на входе запоминающего элемента).

Н а рис. 3.4, а, приведена обобщенная эквивалентная схема УВХ для иллюстрации принципа действия и анализа работы. На рис. 3.4, б и в, представлены УВХ на основе повторителя и интегратора соответственно.

Поясним работу УВХ (см. рис. 3.4, а). УВХ имеет два устойчивых режима работы: выборки и хранения.

В режиме выборки (слежения) (ключ замкнут) выходной сигнал УВХ с максимально возможной скоростью достигает значения преобразуемого сигнала u_вх(t) и затем отслеживает его до тех пор, пока не придет команда на хранение (см. рис. 3.5).

С этого момента УВХ запоминает и хранит на выходе мгновенное значение преобразуемого входного сигнала за счет того, что при разомкнутом ключе заряд на конденсаторе сохраняется. Медленное его уменьшение может происходить лишь за счет утечки. Так как УВХ запоминает входной сигнал АЦП в момент времени, определяемый командой хранения, апертурное время (и погрешность) АЦП существенно снижается и определяется в основном переменной составляющей апертурного времени УВХ.

Апертурное время УВХ t_a^’ – это максимальное время от момента подачи команды на хранение до момента фактического перехода схемы в данный режим (см. рис. 3.5). Апертурное время t_a^’ обусловлено задержкой распространения сигнала и конечным временем переключения ключа, входящего в состав УВХ, при переходе схемы от выборки к хранению.

Критическими динамическими параметрами УВХ являются время выборки t_выб, когда ключ замыкается, и апертурное время t_a^’, когда он размыкается.

В ремя выборки t_выб (рис. 3.5) — это время, требуемое для изменения напряжения на конденсаторе от значения, которое было запомнено в предыдущем цикле, до самого последнего значения сигнала. Рассмотрим составляющую погрешности УВХ, обусловленную этим интервалом. Коэффициент передачи УВХ в режиме выборки имеет вид:

где f₀=1/(2RC_Н)

Зависимость от частоты приводит к возникновению погрешности коэффициента передачи, равной

Данная погрешность является одной из составляющих динамической погрешности и называется обычно либо погрешностью коэффициента передачи, либо погрешностью недозаряда (слежения). Легко показать, что для рассмотренной эквивалентной схемы между относительной погрешностью коэффициента передачи  и частотой синусоидального сигнала f существует примерная зависимость =f/f₀.

Для идеальных аналоговых ключей эта составляющая динамической погрешности будет единственной. Однако реальные аналоговые ключи вносят в процесс образования выборочных значений сигнала дополнительные погрешности. Это в первую очередь апертурная погрешность, обусловленная апертурным временем t_a^’, имеющая принципиальное значение для процесса дискретизации как преобразования непрерывной функции в непрерывную последовательность. Апертурное время — это интервал между подачей команды запоминания и фактическим размыканием ключа. Оно складывается из постоянного времени задержки (или апертурного сдвига) t_з (зависящего от логической схемы, устройства аналогового ключа) и времени неопределенности (апертурной дрожи) t_a:

t_a^’ = t_з+t_a .

Случайная составляющая t_a обусловлена зависимостью фактического времени перехода ключа в разомкнутое состояние от формы входного напряжения U_вх(t).

Апертурный сдвиг t_зад приводит, как правило к частотным искажениям, аналогичным тем, которые возникают в эквивалентной RC цепи, характеризующей схему в режиме выборки (см. рис. 3.4, а), причем величина t_з играет такую же роль как и RC_н. Вредное влияние апертурного сдвига, поскольку он постоянен, можно всегда скомпенсировать опережением команды хранения.

Апертурная дрожь t_a во всех приложениях, основанных на применении теоремы отсчетов, является источником апертурной погрешности, о которой говорилось ранее. Поэтому апертурный сдвиг и апертурную дрожь задают как правило раздельно.

Следует отметить, что добавочную составляющую в апертурную дрожь вносят конечные длительности фронтов стробирующих импульсов и дрожание моментов их запуска.

При нахождении максимальной частоты синусоидального сигнала, преобразуемого с помощью АЦП с УВХ апертурная дрожь t_a заменяет в соотношении (3.7) время преобразования t_пр.