Microsoft Word - L02_SampleAndHold

Transcriere

1 sample hold command Vi Ve Ve 0 Figura.1 Comporarea ideală a unui circui. Vi Voff1 Vi Voff - - K + + CH OA OA1 Figura. Principiul de funcționare a unui circui. 1.1 Supor eoreic Un circui ce realizează funcția (rom. Eșanionează și reține urmăreșe semnalul de inrare pe duraa eșanionării și îl memorează pe duraa reținerii. Perioada eșanionării rebuie să fie câ mai scură posibil, în imp ce reținerea rebuie să acopere impul necesar conversiei analognumerice. Figura.1 relevă semnalul de inrare Vi, și semnalul de ieșire Ve, penru un circui ideal de sample and hold. În Figura., comuaorul K ese ON pe duraa sării sample, încărcând capaciaea C H la ensiunea Vi. În sarea hold, K ese OFF și ensiunea Ve își păsrează valoarea avuă la sfârșiul sării sample. OA1 şi OA au funcția de adapare de impedanță: OA1 asigură joasă impedanță penru încărcarea rapidă a lui CH în impul sării sample, iar înala impedanță a lui OA previne descărcarea lui CH în impul sării hold..1.1 Parameri și erori penru circuiele Erorilor suscepibile circuielor po fi clasificae din punc de vedere al fazei în care se manifesă acesea: Regimul Sample Ofseul în regim de eșanionare - În Figura., erorile de ofse ale OA 1 și OA alerează valoarea ensiunii Ve. La finalul fazei sample : V V V V V V (.1) e CH off i off 1 off Ve

2 Bazele Sisemelor de Achiziții de Dae Lucrări de laboraor Precizia câșigului apare daoriă erorii de câșig a amplificaorului în regimul sample. Neliniariaea câșigului apare daoriă amplificaoarelor operaționale, dar și din cauza neliniariății componenelor pasive implicae în calculul câșigului global al circuiului. Tranziția de la Sample la Hold sample hold Vi Ve 0 command aperure uncerainy aperure Ve ideal Vi Ve pedesal Figura.3 Tranziția de la Sample la hold. Vi V e feedhrough Timpul de înârziere la memorare impul necesar comuării din sample în hold. Timpul se măsoară de la puncul de 50% a ranziției hold a semnalului de conrol până în momenul în care ieșirea nu mai urmăreșe inrarea. Inceriudinea impului de înârziere al fazei hold (eng. jier) irepeabiliaea impului de înârziere penru același circui la ranziții diferie (penru condiții diferie sau idenice ale mediului în care se află). Ofseul de sarcină (eng. pedesal) ofseul ensiunii de ieșire daora ransferului de sarcină înre capaciaea de memorare și capaciaea paraziă inrodusă de circuiul de comuare. Regimul Hold ideal drop Figura.4 pune în evidență cele mai imporane erori ce apar în faza hold. Fiecare eroare ese prezenaă individual, V e fără a lua în considerare orice ală eroare. V i sag Efecul cumulaiv al uuror erorilor poae 0 Figura.4 Erori în faza Hold fi analiza în evoluția ensiunii V e. Variația ensiunii de ieșire în regimul hold (eng. droop rae ) apare daoriă curenului de fugă din capaciaea de memorare, dar mai ales din cauza curenul de comuare în faza off și a curenului rezidual al amplificaorului operațional. Ese o funcție liniară în imp, daă de raporul

3 dv e/d. Transferul parazi al semnalului de inrare (eng. Feedhrough) cuanumul semnalului de inrare ransfera la ieșire când amplificaorul ese în modul hold. Ese daoraă impedanței finie a comuaorului în sarea off, dar și daoriă alor impedanțe parazie din circui. CH anerioară. Ra Ca Rb Cb Figura.5 Modelul general al unui condensaor. sample hold Vi Ve Vi command 0 Figure.6 Hold o sample ransiion. Ve Absorbția în dielecric penru condensaorul de socare (eng. sag). Modelul general al unui condensaor ese prezena în Figura.5, unde C H capaciaea nominală și C a, C b capaciățile parazie împreună cu rezisențele lor. C H ese încărca rapid în impul fazei sample, dar capaciățile parazie au nevoie de mai mul imp și au endința de a redisribui sarcina în faza hold, reducând variația ensiunii Ve din faza sample adm acquisiion ime 3 Tranziția de la Hold la sample Timpul de achiziție sau impul de sabilire impul necesar penru ca ieșirea circuiului de sample and hold să se încadreze (și să sea) în banda erorii accepabile din jurul valorii ideale (finale), când circuiul comuă din hold în sample. În general ese definiă penru un sal egal cu valoarea capă de scală a ensiunii Ve. Regimul ranzioriu de comuare de la Sample la Hold oscilație amorizaă sau funcție exponențială variabilă în imp. Erori definie global Aceasă caegorie include efecele globale ale unor erori manifesae în diferie faze funcționale ale circuiului sample and hold și manifesae în funcția globală de ransfer: de la semnalul de inrare Vi, până la ensiunea Ve socaă în faza hold :

4 Bazele Sisemelor de Achiziții de Dae Lucrări de laboraor Ofseul funcției de ransfer suma înre ofseul în sarea sample și ofseul de sarcină - charge-offse. Neliniariaea funcției de ransfer suma înre variația ofseului de sarcină și neliniariaea câșigului. Efecul acesor două erori nu poae fi compensa prin ajusarea câșigului sau ofseului. Neliniariaea dinamică definiă ca și eroare neajusabilă oală a funcției de ransfer în faza hold. Include neliniariaea funcției de ransfer și erori daorae pierderilor în condensaorul de memorare și a variațiilor de emperaură. 4

5 . Simulare U1 100kHz SnH Vin Vin R5 10kΩ Analog Discovery Waveform Generaor.7V 3-3V U6A AD859ARM 1 D1 BZX384-C4V7 R6 10kΩ SnH Figura.7 Simularea circuiului Vc C10 1nF U6B 9.7V VSH Figura.8 Rezulae experimenale penru comporarea generală a unui circui 5

6 Bazele Sisemelor de Achiziții de Dae Lucrări de laboraor Figura.7 relevă circuiul simula. Pinul 5 al circuiului AD859 ese pinul de Shu Down al amplificaorului A; aunci când ese în LOW, ieșirea amplificaorului rece în înală impedanță, separând capaciaea C10, penru perioada Hold. D 1 și R 6 ranslaează semnalul logic de 5V SnH în domeniul (-3V +1.7V), compaibil cu daele de caalog aferene semnalului Shu Down...1 Funcționare globală - Simulare Figura.8 pune în evidență rezulaele experimenale ale funcționării globale a circuiului: Vin are ampliudine de 1V, frecvență de 10KHz și formă sinusoidală. SnH are frecvența seaă la 100KHz, cu facor de umplere de 10%: Regimul Sample începe la fiecare 10µs și durează 1µs. 10 eșanioane sun achiziționae în fiecare perioadă a semnalului Vin. Penru a analiza erorile și neconcordanele, sun seae condiții speciale de simulare penru fiecare regim... Regimul Sample - Simulare Penru regim Sample coninuu, SnH ese sea High în mod permanen, înlocuind U1 cu o sursă coninuă de ensiune cu valoarea de 5V. 6

7 Vin are formă Triangular, cu ampliudine vârf la vârf de 1VVV, perioadă de 0µs period și 10µs imp de cădere (eng. fall ime)(frequency 50kHz, duy facor 50%). Figura.9 prezină aluri asemănăoare penru V in, V C şi V SH (sânga). Un grafic realiza după procesare (dreapa) relevă eroarea V SH-V in. Componea coninuă (valoarea medie) a erorii reprezină eroarea globală de ofse a circuiului mV 8.059mV off mean( VSH Vin ). 0645mV (.) Componena drepunghiulară din eroare ese daă de impul de propagare. Pe duraa rampei, înârzierea aparenă, d,r ese: dv d r in 1V mV 10 s d, r (.3) d, ns (.4) Figura.9 Simularea regimului Sample (s.) şi pos-procesare (dr.) 7

8 Bazele Sisemelor de Achiziții de Dae Lucrări de laboraor În impul panei: dv d f in 1V 8.059mV 10 s d, r Înârzierea reală a propagării ese media celor două valori de mai sus: (.5) d, ns (.6) d, r d, f d 100ns (.7) d ese impul de înârziere înre semnalul de inrare şi cel de ieşire, în impul regimului Sample, în imp ce a impul de înarziere la memorare (eng. apperure ime care reprezină impul necesar penru a comua din hold în sample. Deoarece eroarea din graficul realiza în urma pos-procesării nu are componeă riunghiulară, simularea componenei erorii de câşig ese inuilă: aâ precizia câşigului câ şi neliniariaea câşigului reprezină valori foare mici, nemăsurabile. 8

9 ..3 Simularea ranziției de la Hold la Sample În Figura.10, frecvenţa de eşanionare ese 50kHz, 50% duy facor; ranziția de la hold la sample se produce la 0µs, 0µs, 40µs iar ranziția de la sample la hold la 10µs, 30µs, Tensiunea de inrare ese V in = 1V VV, 5kHz, simerică. Diagramele din sânga relevă impul de simulare oal. O privire în dealiu a ranziției de la hold la sample începând de la momenul 0µs ese prezenaă în dreapa. Diagramele de sus prezină Vin și VSH, în imp ce figurile de jos sun posprocesae penru a sugera diferența (eroarea) VSH-Vin. În diagramele din dreapa-jos, VSH-Vin, impul de sabilire, s ese: s s 3.3 1mV mV (.8) Figura.10 Simularea ranziției de la hold la sample (sus), posprocesare V SH-V in (jos), scară reală (sânga) și în dealiu (dreapa) 9

10 Bazele Sisemelor de Achiziții de Dae Lucrări de laboraor..4 Simularea ranziției de la Sample la Hold Figura.11 Tranziție de la sample la hold (dealiu); creșere (sânga) și cădere (dreapa) Figura.11 araă două dealii ale ranziției de la sample la hold, din Figura.10: la momenul 50µs, în impul creșerii lui V in, și la momenul 150µs, în impul căderii lui Vin. Tensiunea de hold ideală - VSH,id ar rebui să fie 500mV în ambele cazuri. Dar, aceasa ese influențaă de eroarea de ofse măsuraă în (.), de impul de propagare, evalua în (.7) și de impul de înârziere la memorare, a: V SH V SH dvin, id off a d (.9) d 1V VSH, r 500mV mv a s 100ns 501. mv 1V VSH, f 500mV mv a s 100ns 494. mv (.10) (.11) Rezolvând independen ecuațiile (.10) și (.11) penru a, rezulă că: a 0.46 s (.1) 10

11 Aces fap ese confirma prin analiza din Figura Simularea regimului Hold In Figura.1, semnalul de inrare are frecvenţa 0Hz, VVV (±1V), recangular, cu 50% duy facor. Semnalul de eşanionare are frecvenţa 5Hz, 1% duy facor, delay = 10ms: prima fază sample începe la momenul 10ms, iar prima fază hold la momenul 1ms. Faza hold durează 198ms. Fazele urmăoare sample încep la 10ms, 410ms, ec. Toae eşanioanele ar rebui eoreic să culeagă valoarea high a semnalului drepunghiular, 1V. În diagrama de semnal dealiaă din dreapa, sun vizibile câeva erori: - ofseul fazei sample : mv (.13) off - variația ensiunii de ieșire la memorare: - Transferul parazi al semnalului de inrare : dv SH 1mV 5 mv / s (.14) d 00ms dv dv in 0.1mVVV 50 ppm db (.15) V SH 86 VV Figura.1 Simularea fazei hold : comple (sânga) și dealiu asupra ensiunii V SH (dreapa) 11

12 Bazele Sisemelor de Achiziții de Dae Lucrări de laboraor.3 Rezulae experimenale Figura.13 relevă schema compleă a placheei experimenale, dar circuiele ce nu sun folosie în experimenul curen sun blurae. U7 şi U8 sun sabilizaoare de ensiune liniare, folosie penru a genera ensiuni de - 3V şi +.7V; AD859 suporă ensiune diferențială maximă de 6V. Celelale circuie funcționează conform explicațiilor de lângă Figura.7. Plachea ese proiecaă să se coneceze direc la Digilen Analog Discovery. Canalul al AWG (W) generează semnalul de inrare, V in. Pinul digial DIO10 generează SnH. Canalele osciloscopului 1+ și + sun accesibile în J, penru analiza semnalelor V in (J10-) și V SH (J8-1). Figura.14 prezină schema elecrică a plăcii experimenale pregăiă cu sondele osciloscopului penru experimenul. Aceeași placă ese folosiă penru ale experimene. J10 VEE -5.0V SnH Vin W => VEE -5.0V 1- - Vin <= W <=DIO8 EOC DIO9=> Cmp SnH <=DIO10 <=DIO11 Sb R5 10kΩ 3 Analog Discovery Waveform Generaor IN VREG OUT 5 1 J V J -3V 3 EN FB 4 U7 GND R8 TPS7301 kω VDD VREG 5.0V 1 IN OUT 5.7V 3 EN C11 C13 U8 GND TPS7997DDC.µF 10nF Analog Discovery Paern Gen. and Logic Analyzer 4 10 VDD 5.0V W1 =>Vref DIO0 DIO1 DIO DIO3 DIO4 DIO5 DIO6 DIO7 5 C10 U6A AD859ARM 1nF 1 7 D1 SnH BZX384-C3V3 R6 10kΩ R7 C1 C14 33kΩ.µF 10nF -3V DIO0 DIO1 DIO DIO3 DIO4 DIO5 DIO6 DIO7 D0 Vref /CS /WR D1 D AD754 DIO0 3 DIO1 4 DIO 5 DIO3 6 DIO4 7 DIO5 8 DIO6 9 DIO Sb DIO11=> Vref W1 => (Analog Discovery Waveform Generaor) V VSH D3 D4 AD754 D5 VDD 5.0V D6 VDD D7 GND U3 74F574DW 1D D 3D 4D 5D 6D 7D 8D ~OC CLK U6B 9 1Q Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q D VDD 5.0V RFB Vref /CS /WR U D1 10 Ou1 Ou AD754 J8 D 9 C1 D3 8 D4 7 AD754 C3 D5 6 VDD 5.0V J4 VSS 0.0V D6 5 VDD J3 D7 4 GND 3 C5.µF 10nF 10nF 10nF 10nF 10nF VEE -5.0V VBo U1B 7 U1A 3 RFB 16 C7 U Ou1 Ou C8 C17 10pF 1 VDD C9 5.0V 1 VEE -5.0V AD8561AR 3 R 10kΩ R1 10kΩ VDD 5.0V VEE -5.0V 1 Figura.13 Schema placheei uilizaă penru J C16 10pF VC+ AD8567ARUZ 5 C15 10pF VB-6 J7 VA+ VAo VA- J6 VD-13 VC- C C4.µF 10nF 10nF U5 Cmp Vref VDo U1D Cmp => DIO9 R4 10kΩ U1C 8 C18 R3 C6 J9 10pF 10kΩ

13 .3.1 Funcţionare generală Insrumenele WaveForms sun seae după cum urmează (ca în Figura.8): - Supplies: ON, +5V şi -5V (Dacă WaveForms raporează Overcurren condiion și opreșe sursele seae de uilizaor, încercați să porniți sursele pe rând: prima sursa poziivă, și după câeva secunde cea negaivă). - WaveGen, Channel : Sine, 10kHz, 1V ampliude, 50% symmery. - Paerns, DIO10: Push-Pull clock, 100kHz, 10% duy facor, 0 o phase. - Scope: o Baza de imp = 10μs/div. Figura.14 Placa experimenală o C1, C range = 500mV/div o AddChannel/Digial/Signal: DIO10 Figura.15 Comporarea generală a procesului 13

14 Bazele Sisemelor de Achiziții de Dae Lucrări de laboraor o Trigger: source = C1, condiion = Falling Penru a analiza erorile și inadverențele, sun seae condiții specifice penru fiecare regim..3. Rezulae experimenale regim Sample Penru regim Sample coninuu, SnH ese dea Consan/High în Paerns. V in ese sea Triangular, cu ampliudine vârf la vârf 1V VV, frecvență 50kHz, simerie 50%. Figura.16 relevă aluri asemănăoare penru C1 = V in, şi C = V SH. Canalul Mah1 (Mah/Simple) calculează eroarea C-C1 = VSH-Vin. Ese deschis un modul de măsurare (View/Measure), Average şi Ampliude penru canalul Mah1 sun afişae (Add/DefinedMeasuremen/Channel1/Verical/ ). Componena coninuă (valoarea medie) a erorii ese eroarea de ofse globală a circuiului. off 4. 8mV (.16) Componena drepunghiulară din eroare ese daă de impul de propagare Pe duraa rampei, înârzierea aparenă, d,r ese: dv d r in 1V 30mV 10 s d, r (.17) d, 300ns (.18) Figura.16 Rezulae experimenale regim Sample Pe duraa panei: 14

15 dv d f in 1V 0mV 10 s d, r Înârzierea reală a propagării ese media celor două valori de mai sus: d ese impul de înârziere înre semnalele de inrare şi ieşire în impul regimului sample, iar a impul de înârziere la memorare, care ese impul necesar penru comuarea din hold în sample. Componena riunghiulară din eroarea afişaă de Mah1, măsoară eroarea de câşig. În Figura.17, un al canal Mah calculează: ε gain ese ajusaă manual penru a aduce semnalul afișa de Mah câ mai aproape de forma riunghiulară. În Figura.17, rezulaul final ese: (.19) d, 00ns (.0) d, r d, f d 50ns (.1) Mah C (1 gain ) C1 (.) Figura.17 Faza Sample compensarea erorii de câşig 15

16 Bazele Sisemelor de Achiziții de Dae Lucrări de laboraor 0.% (.3) gain.3.3 Rezulae experimenale la ranziția de la Hold la Sample În Figura.10, frecvența de eșanionare ese 50kHz, 50% duy facor; ranzițiile de la hold la sample au loc la 0µs, 0µs, 40µs iar cele de la sample la hold la 10µs, 30µs, Tensiunea de inrare ese Vin: 0.5V Ampliude, 0.5V Offse, 5kHz, riangle. Diagramele de sus relevă: C1 = V in, C = V SH, și eroarea M1=C-C1. Diagramele de jos relevă dealii mărie: V in și V SH (sânga), și M1= V SH - V in (dreapa). Figura.18 Experimen ranziție de la hold la sample : vedere compleă (sus), dealii (jos): V in și V SH (sânga) și Mah1 = V SH-V in (dreapa) 16

17 În diagramele din dreapa-jos, VSH-Vin, impul de sabilire, s ese:.3.4 Tranziția de la Sample la Hold Rezulae experimenale Figura.19 pune în evidență două ranziții de la sample la hold în dealiu față de Figura.18: la 10µs, în impul rampei lui V in, și la 90µs, în impul panei lui V in. Tensiunea ideală V SH,id din faza hold ese influenţaă de eroarea de ofse măsuraă în (.16), de impul de propagare, din (.1) și de impul de înârziere la memorare, a: V s 4 s@ 1mV (.4) SH V SH dvin, id off a d (.5) d 1V VSH, r 643mV 4.8mV a s 50ns mv (.6) V 1V 541mV 4.8mV a 100 s 50ns 537. mv f 5 Rezolvând separa (.6) și (.7) penru a rezulă: a 15ns (.8) Aces aspec ese confirma de graficul din Figura.19. (.7) Se observă că măsurăoarea de mai sus ese realizaă la limia 1mV al zgomoului pese V SH sau V SH,id care ar modifica valoarea a cu 100ns. 17

18 Bazele Sisemelor de Achiziții de Dae Lucrări de laboraor Figura.19 Dealii Sample o Hold ; - rampă V in (sânga) şi pană V in (dreapa) 18

19 .3.5 Rezulae experimenale regim Hold În Figura.0, semnalul de inrare are parameri: 0Hz, VVV (±1V), recangular, cu 50% duy facor. Semnalul de eșanionare ese sea la 5Hz, 1% duy facor: regimul sample începe la 0ms, iar primul regim hold la ms. Duraa regimului hold ese de 198ms. Regimurile sample urmăoare încep la 00ms, 400ms, ec. Toae eșanioanele ar rebui în mod eoreic să culeagă valoarea high a semnalului drepunghiular, 1V. În figura de mai jos, sun vizibile urmăoarele erori: - Ofseul regimului sample : - Variația ensiunii de ieșire în modul hold : - Transferul parazi al semnalului de inrare: dv dv (.9) off 4mV dv SH 10mV 50 mv / s (.30) d 00ms in 1mVVV 500 ppm db (.31) V SH 66 VV Figura.0 Rezulae experimenale regim Hold 19