Проектирование устройства выборки-хранения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

выборка цифровой компьютер преобразователь

Спроектировать устройство выборки-хранения с заданными параметрами.

Введение

Устройства выборки-хранения широко применяются в системах аналого-цифрового преобразования и ввода сигналов в ЭВМ, измерительных преобразователях и приборах и т.д. Основное назначение УВХ - выборка мгновенного значения аналогового сигнала и его хранение (запоминание) в течение некоторого промежутка времени, определяемого периодом выборки, т.е. выполнение операций стробирования.

Необходимость в УВХ возникает при решении задач минимизации динамических погрешностей аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Известно, что дискретизация непрерывно изменяющихся во времени сигналов с достаточно широким спектром с помощью реального АЦП, имеющего всегда конечное время преобразования, приводит к нарушению одного из условий теоремы отсчетов Котельникова - Шеннона, требующей постоянства входного сигнала АЦП в течение времени преобразования. В итоге возникает так называемая апертурная погрешность преобразования (погрешность датирования отсчетов) и цифровой отсчет перестает быть тождественным входному сигналу.

1. Работа устройства выборки-хранения

Для реализации выбрана схема классического аналогового УВХ с малой постоянной времени интегрирующей RC-цепочки на интервале стробирования, у которой интервал стробирования tстроб ? ф, где ф - постоянная времени этой интегрирующей цепочки УВХ.

Структурная схема УВХ этого типа приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема УВХ с малой постоянной времени интегрирующей RC-цепочки на интервале стробирования

При замыкании ключа SW1 с некоторым запаздыванием tуст выб, равным времени включения ключа tвкл (начало интервала стробирования), конденсатор Cн начнёт заряжаться (рис. 2) до значения Uвх по экспоненте, постоянная времени ф которой равна произведению RCн. При заряде конденсатора Сн до текущего значения Uвх напряжение на нём некоторое время отслеживает изменения Uвх до окончания интервала времени стробирования tстроб. После этого УВХ переходит в режим хранения (ключ SW1 размыкается с некоторым запаздыванием tуст хр, равным времени выключения ключа tвыкл).

Спад выходного напряжения УВХ в режиме хранения ?Uхр не должен превышать допустимого значения.

Рисунок 2 - Временные диаграммы работы УВХ с малой постоянной времени интегрирующей RC-цепочки на интервале стробирования

2. Расчёт устройства выборки-хранения и выбор элементов схемы

Определение постоянной времени ф интегрирующей цепочки УВХ, исходя из заданного по техническому заданию значения ширины полосы пропускания.

Постоянная времени ф интегрирующей цепочки УВХ

,

где: R - сопротивление резистора интегрирующей RC-цепочки, Сн - значение ёмкости накопительного конденсатора, fср - значение частоты среза интегрирующей цепочки УВХ как фильтра низких частот.

Выбор электронного ключа SW1 для выбранной схемы УВХ.

Учитывая сравнительно небольшие значения времени выборки и достаточно большие значения диапазонов входных сигналов УВХ по техническому заданию на РГР (±5 В), большой диапазон допустимых напряжений питания ключа (±12 В), возможность параллельного включения каналов ключа, низкое сопротивление одиночного ключа в замкнутом состоянии, используем ключ К590КН13, имеющий Rзамк = 29 Ом (типовое значение), относительно небольшие значения тока утечки Iут аналогового выходя ключа (12 нА - типовое значение при нормальной температуре) и удовлетворительное быстродействие (t_вкл = 40 нс - типовое значение).

Определение постоянной времени ф интегрирующей RC-цепочки УВХ, исходя из условия необходимого быстродействия.

За интервал стробирования (интервал выборки) t_строб конденсатор С_н должен успеть зарядиться в худшем случае от нуля до U_вх макс и некоторое время «следить» за значением U_вх. Заряд идёт по экспоненте с постоянной времени ф=RC_н. Однако реально заряд конденсатора С_н начинается после tвкл ключа SW1.

С учётом этого текущее напряжение на конденсаторе C_н при заряде от нулевого значения напряжения

,

где максимальное значение текущего времени заряда t равно t_строб - t_вкл.

Исходя из требования выполнения соотношения t_строб ? ф, можно найти максимально допустимое значение ф как

ф=RCн=(0,01…0,1) (t_строб - t_вкл).

t_строб по техническому заданию равно 5 мкс.

t_вкл для ключа К590КН13 равно 40 нс.

Найдём ф:

ф=(0,01…0,1) (5•10^-6 - 0,04•10^-6)=(0,01…0,1)•4,96•10^-6 с

Возьмём ф=400 нс, что составляет 0,08 от t_строб - t_вкл и удовлетворяет условию ширины пропускания.

Назначение номинального сопротивления резистора R интегрирующей RC-цепочки.

Для уменьшения влияния вариации сопротивления ключа ?R_замк на значение постоянной времени ф номинал резистора R должен быть как минимум на порядок-два больше ?R_замк. Для выбранного ключа К590КН13 ?R_замк составляет не более 25%, что составляет примерно 30 Ом * 0,25 = 7,5 Ом. Поэтому назначаем номинал резистора R примерно в 50-100 раз больше.

Соответственно, принимаем в качестве резистора R по ряду Е48 прецизионный высокочастотный металлодиэлектрический резистор С2-29В номиналом 470 Ом:

R > C2-29В - 0,25 Вт - 470 Ом ± 1% - А.

Расчёт максимально допустимых с точки зрения выбранного значения резистора R границ номиналов ёмкости конденсатора С_н

Пренебрегая значением t_вкл, получим

Сн ? ф/R = (0,01…0,1) t_строб/R, пФ.

Сн ? 4•10^-7 / 470 = 8,51 •10^-10 Ф = 851 пФ.

Возьмём значение ёмкости Сн по ряду E24 равным 820 пФ.

В качестве конденсатора с точки зрения оптимального соотношения цена / качество выберем прецизионный полистирольный окукленный конденсатор К71-7 с допуском 2%.

Сн > К71-7 - 63 В - 820 пФ ± 2% - В.

Выбор ОУ для построения входного и выходного буферных каскадов с единичным коэффициентом передачи по напряжению (повторителей напряжения).

Для рассматриваемой задачи выберем буферный усилитель OPA454 фирмы Texas Instruments (США) с уже установленным коэффициентом передачи KU = 1. Основные параметры этого ОУ: напряжение питания до ±50 В, выходной ток не менее 50 мА при полосе пропускания (f1) > 2,5 МГц, значение входного сопротивления не менее 10¹³ Ом при входной ёмкости 10 пФ, диапазон рабочих температур окружающей среды от -60 до +125°С.

Определение значения спада выходного напряжения ?Uхр в режиме хранения.

В общем случае скорость уменьшения напряжения на конденсаторе С_н (выходного напряжения УВХ) в режиме хранения (максимальное значение в начале разряда) определяется как

V_разр = dU_сн/dt = ?I_разр/С_н, В/с,

где ?I_разр - сумма токов, разряжающих конденсатор Сн.

Iут аналогового выхода ключа К590КН13 изменяется от 1 нА при температуре +20°С до 10 нА (типовое значение) при температуре +80°С, при этом значения коммутируемого напряжения находятся в пределах ±15 В. Очевидно, что при напряжении на С_н, равном 5 В, эти разрядные токи (начальные значения) уменьшатся на две трети.

Полистирольные конденсаторы К71-7 имеют большое значение сопротивления изоляции - Rиз > 50 000 Мом. Поэтому максимальное значение тока разряда через цепь изоляции конденсатора С_н составит в начальный момент I_из = U_{сн макс} / R_из = 5 В / 50•10⁹ Ом = 0,1•10^-9 А = 0,1 нА.

Значения входных токов I_вх DA ОУ DA2, в качестве которого выбран OPA454, не превышают 0,1 нА.

Таким образом, максимально возможная в начальный момент сумма токов, разряжающих С_н в режиме хранения при нормальной температуре,

?I_разр = 1/3•I_ут + I_из + I_вх DA = 1/3•10 нА + 0,1 нА + 0,1 нА = 3,5 нА.

Следовательно, скорость разряда С_н в режиме хранения при нормальной температуре в худшем случае при U_вх = 5 В составит

V_разр = ?I_разр/С_н = 3,5•10^-9 А / 820•10^-12 Ф = 4,27 В/с = 4,27 мВ/мс.

Соответственно, спад выходного напряжения УВХ в режиме хранения

?Uхр = V_разр • t_хр, мВ.

?U_хр = 4,27 мВ/мс • 0,8 мс = 3,416 мВ.

Найденное значение ?U_хр меньше значения, заданного в техническом задании на проектирование.

Принципиальная схема устройства выборки-хранения.

Рисунок 3 - Принципиальная схема устройства

Список литературы

1. Устройства выборки-хранения: Методические указания к выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Цифровые измерительные устройства» / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост. М.П. Иванов. - Уфа, 2013. - 34 с.

2. [Электронный документ] // Микросхема К590КН13.

3. [Электронный документ] // High-Voltage (100V), High-Current (50mA) OPERATIONAL AMPLIFIERS, G = 1 Stable.

Размещено на Allbest.ru