LABORATOR B.S.A.D.

Circuite de esantionare si memorare (retinere)(Sample and Hold)

434C

Un circuit Sample/Hold cunoaste doua moduri fundamentale de functionare, determinate de valoarea semnalului logic prezent pe intrarea de control:

Esantionare – in care circuitul achizitioneaza rapid semnalul de la intrare, reproducandu-l fidel la iesire. Semnalul de la iesire urmareste fidel semnalul de la intrare.

Memorare – care se realizeaza imediat ce semnalul de la intrare isi schimba valoarea, circuitul oferind la iesire valoarea pe care o avea semnalul de intrare in momentul tranzitiei comenzii din S in H.

Circuitele S/H se folosesc in sistemele in care prelucrarea semnalelor este discontinua, avand loc la intervale egale de timp, pe baza nivelului curent al semnalului. In acest fel nu se urmareste intreaga variatie a semnalului, ci numai segmentele de durata finita (esantionare). Prelucrarea lor se face in perioada de memorare. Circuitele S/H se mai folosesc la eliminarea varfurilor tranzitorii de la iesirea unui convertor D/A, distributia datelor, masurarea raportului a doua variabile mediate in timp etc.

Schema de principiu a unui circuit S/H este urmatoarea :

Din schema de mai sus se poate vedea modul de functionare a unui circuit S/H. Acesta este un comutator analogic care la comanda de esantionare preia valoarea instantanee a semnalului de la intrare si o retine sub forma unei tensuini de curent continuu memorata de o memorie analogica – un condensator. Deci un astfel de circuit trebuie sa aiba urmatoarele caracteristici:

Condensatorul trebuie sa se incarce si sa ajunga la valoarea finala a tensuinii

cat se poate de repede; In etapa de memorare variatia in timp a tensiunilor Vo, Vo/t trebuie sa fie

cat mai mica posibil.Schema montajului de laborator este data in figura de mai jos:

1. Se esantioneaza un semnal sinusoidal cu VI VV=2V f=100Hz aplicand la intrarea de control un semnal TTL cu factor de umplere 1:1 si o frecventa fe=2kHz. S-au obtinut urmatoarele forme de unda:

Tensiunile V11 , V12 s-au obtinut nule si de aceea nu au mai fost reprezentate.

Tensiunile VC4 si VC5 au aproximativ aceeasi reprezentare diferind doar timpii de crestere care pentru VC4 este 0.18ms, iar pentru VC5 este 0ms si respectiv timpii de cadere care sunt 0 ms, respectiv 4s. Perioada dupa cum se observa din imagine este T=0.58ms.

2. Repetam masuratorile de mai sus pentru fi =2kHz si fes=10kHz si obtinem urmatoarele imagini:

Pentru VC4 timpul de crestere este 16s si perioada T=112s.

Pentru VC5 timpul de cadere este de 40s iar perioada T= 104s.

3. Se determina curentul maxim de incarcare al capacitorului de memorare. Circuitul se pune in regim de esantionare. La intrare se aplica un semnal dreptunghiular VI VV =5V fI =1kHz cu factor de umplere 1:1. Se reprezinta V12 si se masoara durata frontului tr si amplitudinea semnalului la bornele condensatorului V12 VV:

Dupa cum se observa din figura de mai sus tr=0.4ms, iar V12 VV=5V. Pentru calculul curentului de incarcare se foloseste formula:

Se obtine valoarea Imax=12.5mA care este mai mic decat Io max Ao1 =20…25mA si decat IDSS =50mA.

Se calculeaza viteza de variatie a semnalului de iesire V12 VV /tr =1.250V/ms care este mult mai mica decat viteza maxima de variatie a semnalului de la iesirea AO care este de 0.5V/s .

Se vizualizeaza tensiunea de intrare pe cele doue intrari ale operationalelorAO1 si AO2 pentru frecventele de 100Hz, 1kHz si 10kHz:

4. Se determina curentul total de pierderi Ip masurand t in care tensiunea Vo=4.55V scade cu o valoare Vo=0.5V. Se obtine t =50s. Se cunoaste C=1F.

Se calculeaza Ip= C*V0/ t =10nA.

5. Curentul de polarizareal intrarii neinversoare a AO2 este Ip2 = 0.1A ( 5s).

6. Se studiaza influenta inelului de garda prin conectarea rezistentelor R17 si R18

la VEE. Se masoara timpul de scadere la jumatate a tensiunii de iesire Vo: t<1s (nu se poate determina).

Se conecteaza inelul de garda la iesirea AO2. Se reia masurarea timpului de scadere la jumatate a tensiunii de iesire Vo: t=5s. Deci inelul de garda are rolul de a creste timpul de scadere la jumatate a tensiunii de iesire Vo.

Raspunsuri la intrebari

1. Gama de valori in care se poate plasa amlitudinea semnalului de la intrare este limitata de tensiunea de strapungere a condensatorului C1.

2. Condensatorul C1 introduce un pol la o frecventa data de constanta de timp acestuia. Condensatorul C1 vede spre masa rds on || Rin AO2 . Cum Rin AO2 este presupusa foarte mare (infinita) => rezistenta vazuta de C1 spre masa este aproximativ egala cu rds on => fp=1/2C1 rds on=1.6kHz. Bucla de reactie a amplificatorului AO1 este formata din C1 si AO2 care introduce si acesta un pol. La frecvente mari cei doi poli astfel introdusi determina instabilitatea circuitului.

3. Valoare maxima si minima este limitata de stabilitatea circuitului.

4. Pentru C1 trebuie ales un condensator care se indeplineasca urmatoarele conditii: sa aiba timp de incarcare mic, sa aiba pierderi mici si curent de fuga mic => C1poate fi fabricat cu polistiren.

5. Valoarea absoluta minima a tensuinii VEE depinde de tensiunea limita de alimentare a amplificatoarelor operationale si limiteletensuinii aplicate la intrare.

6. Tensuinea de la intrarea lui AO1 poate varia intre –15V si +15. Daca K2 inchis AO1 funcioneaza ca un repetor => V01 apartine [-15V,+15V]. Pe grila lui J1 apare aceasta tensuine care poate sa-l distruga; se conecteaza dioda D1 cu rol de protectie pentru J1. Analog pentru celelalte diode, deci D1, D2, D3 au rol de a proteja J1, J2, J3 care lucreaza in regim de comutatie.

7. Daca rezistenta R5=0, aceasta sunteza rezistenta rds on => in paralel cu condensatorul C se vede o rezistena foarte mica. La frecvente inalte C2 introduce un pol. R5 este introdusa pentru a deplasa polul la frecvente inalte pentru ca circuitul sa devina stabil.

11. In regim de memorare schema pentru AO2 este:

Deci Vc1=Vo

AO2 este protejat de dioda D3 dupa cu s-a explicat la pucntul 6.

12. Presupunem circuitul Sample. Trecerea in Hold se face printr-o etapa intermediara care este diferita pentru cele doua cazuri: K2, K3 au comutat deja pe modul Hold, dar K1 fiind intarziat de inversorul introdus. Comutand mai intai K2 si K3, C1 este izolat si se descarca mai greu avand un curent mai mic de descarcare. Bucla lui AO1 se inchide mai tarziu prin comutatorul K1 ceea ce conduce la variatii de tensiune intre bornele + si – ale lui AO1. K1 comuta inaintea lui K2 si K3, C1 se descarca in tipul in care se produce comutrea la un curent de descarcare mai mare => micsorare a valorii memorate analogic pe condensator.

La trecerea din modul de functionare Hold in modul Sample prima varianta convine pentru ca C1 este introdus imediat in circuit conducand la o mai buna memorare a semnalului in momentul memorarii.

14. Daca circuitul se alimenteaza la singura sursa pozitiva se modifica amplitudinea maxima a semnalului de la intrare. Daca circuitul se alimenteaza la singura sursa negativa se modifica amplitudinea minima a semnalului de la intrare.

15. Potentiometrul P2 permite reglarea rezistentei Rech in serie cu C1 astfel incat sa permita deplasarea polului introdus de C1 in asa fel incat circuitul sa devina stabil.

18. Schema circuitului S/H inversor:

19. Detector de varf realizat dintr-un comparator si un circuit S/H: