Устройство выборки-хранения

союз советскихСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 6571 9) (11) 51)5 6 11 С 2 И САНИЕ ИЗОБРЕТ КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ АВ ферный усилитель, второй ключевой элемент. Переменная составляющая выходного тока преобразователей напряжения в ток пропорциональна входному напряжению устройства, В режиме.выборки первый и второй источники тока отключены и первый ключевой элемент соединяет выходы преобразователей напряжения в ток с накопи. тельным элементом, который заряжается разностью выходных токов данных преобразователей. Получаемый отсчет напряжения на накопительном элементе пропорционален интегралу от входного напряжения на интервале выборкиВ режиме хранения первый и второй источники тока включены, их выходные токи компенсируют выходные токи преобразователей напряжения в ток, и первый ключевой элемент размыкает цепь заряда накопительного элемента .Перед очередной выборкой производится разряд накопительного элемента на конденсаторе с помощью второго ключевого элемента. 1 з,п,ф-лы, 1 ил,нститутнатов. СССР81, о ССС Сь (Я ния в промежутках между стробирующимиимпульсами и сброс результата интегрирования перед очередной выборкой. Н то, чт дейст ка апе начал ния, к искаж борки чивае ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетел ьствоМ 999113, кл, О 11 С 27/00, 1 Авторское свидетельств Р 1 Ф 1444895, кл. 6 11 С 27/00, 1986.(54) УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ (57) Изобретение относится к радиотехнике. и может использоваться для формирования выборочных значений входного колебания и их запоминания при аналого-цифровом преобразовании, Цель изобретения - расширение динамического диапазона при дискретизации высокочастотных колебаний, Устройство содержит два преобразователя напряжения в ток, первый ключевой элемент на диодах, накопительный элемент на конденсаторе, четыре источника тока, буИзобретение относится к радиотехнике и может использоваться для формирования выборочных значений входного колебания и их запоминания при аналого-цифровом.преобразований.Известны интегрирующие устройства выборки и хранения (аналоговые запоминающие устройства), содержащие интегратор, ключи, коммутаторы, инверторы, блок управления, В данных устройствах выборки и хранения производятся интегрирование входного колебания на интервале стробирования, хранение результата интегрироваедостатком этих устроиств является о из-за относительно низкого быстровия стробирующего ключа в них велиртурная неопределенность моментов а и окончания интервала стробироваоторая приводит к росту нелинейных ений и уровня шумов в устройстве выи хранения и, следовательно, огранит динамический диапазон устройства5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 при дискретизации высокочастотных колебаний,Известны следящие устройства выборки и хранения, содержащие источники тока, диодный мостовой ключ, накопительный элемент на конденсаторе, блок управления. В данных устройствах на интервале стробирования происходит заряд конденсатора в цепи с малой постоянной времени до напряжения входного колебания и хранение этого напряжения до следующего стробирующего импульса.Наиболее близким по структуре является устройство выборки и хранения, содержащее диодный мостовой ключ, накопительный элемент на конденсаторе, повторитель напряжения, два ключа, четыре источника тока, блок управления и два источника опорного напряжения,Недостатком данного устройства выборки и хранения, как и у других известных следящих устройств выборки и хранения, является малый динамический диапазон.Нижняя граница динамического диапазона определяется собственными шумами устройства, а верхняя - нелинейными искажениями колебания в нем. Малая величина динамического диапазона известных устройств обусловлена следующими причинами. Во-первых, сопротивление диодного мостового ключа Зависит от тока, протекающего через него, т.е. от тока заряда накопительного элемента на конденсаторе. Следовательно, коэффициент передачи ЯС-цепи, образованный сопротивлением ключа и емкостью накопительного элемента, также зависит от тока заряда, что приводит к нелинейным. искажениям отсчетов входного колебания. Во-вторых, реальный момент размыкания ключа определяется не только моментом поступления стробирующего импульса, но и уровнем входного колебания В результате возникает апертурная неопределенность, которая приводит к нелинейным искажениям. В-третьих, при дискретизации высокочастотных колебаний требуется большой ток заряда накопительного элемента, что повышает уровень нелинейных искажений, обусловленных нелинейностями диодного мостового ключа и входного усилителя, включенного перед ключом. В-четвертых, из-за широкой полосы.пропускания данных устройств внешние помехи и широкогюлосные шумы, действующие на его входе, вызывают дополнительную аддитивную погрешность формирования отсчета.Цель изобретения - расширение динамического диапазона при дискретизации высокочастотных колебаний. Поставленная цель достигается тем, что в устройство выборки и хранения, содержащее буферный усилитель, с первого по четвертый источники тока, первый ключевой элемент на диодах и второй ключевой элемент, накопительный элемент на конденсаторе, первый вывод которого подключен к объединенным информационному выходу первого ключевого элемента, информационному входу второго ключевого элемента и входу буферного усилителя, выход которого является информационным выходом устройства, первый и второй входы управления первого ключевого элемента подключены соответственно к выходам первого и второго источников тока, управляющие входы которых объединен ы с соответствующими выходами третьего и четвертого источников тока и подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства, управляющие входы третьего и четвертого источников тока объединены, информационный вход четвертого источника тока является входом стробирования устройства, управляющий вход второго ключевого элемента является входом сброса устройства, анод первого и катод второго диодов первого ключевого элемента объединены и являются информационным входом первого ключевого элемента, катод первого и анод второго диодов первого ключевого элемента подключены соответственно к его первому и второму управляющим входам, введены первый и второй преобразователи напряжения в ток, первые входы питания которых подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства, а их вторые входы питания подключены соответственно к третьей и четвертой шинам питания устройства. Информационные входы обоих преобразователей напряжения в ток объединены и являются информационным входом устройства, выходы первого и второго преобразователей напряжения в ток подключены соответственно к первому и второму управляющим входам первого ключевого элемента, информационный вход которого подключен к шине нулевого потенциала устройства, Второй вывод конденсатора накопительного элемента объединен с информационным выходом второго ключевого элемента и подключен к информационному выходу устройства, Катод первого и анод третьего диодов первого ключевого элемента объединены, анод второго и катод четвертого диодов первого ключевогоэлемента объединены, катод третьего й анод четвертого диодов первого ключевого элемента обьединены и подключены к информационному выходу первого ключевого элемента,При этом первый и второй преобразователи напряжения в ток идентичны по структуре, но отличаются полярностью питающих напряжений и проводимостью соответствующих транзисторов, и каждый преобразователь напряжения в ток содержит дифференциальный усилитель, токоэадающий элемент на резисторе и два идентичных источника тока, причем инвертирующий вход дифференциального усилителя является информационным входом преобразователя напряжения в ток, а неинвертирующий соединен с выходом первого управляемого источника тока и первым выводом резистора токозадающего элемента, второй вывод которого подключен к соответствующей (третьей и четвертой) шинам питания устройства, выход дифференциального усилителяподключен к информационным входам первого и второго управляемых источников тока, выход второго управляемого источника тока является соответствующим выходом преобразователя напряжения в ток.На чертеже изображена функциональная схема устройства выборки и хранения.Устройство выборки и хранения содержит два преобразователя 1 и 2 напряжения в ток, первый ключевой элемент 3 на диодах 4 - 7, четыре источника 8 - 11 тока, буферный усилитель 12, накопительный элемент 13 на конденсаторе, второй ключевой элемент 14. При этом преобразователи 1 и 2 напряжения в ток идентичны по структуре, но отличаются полярностью питающих напряжений и проводимостью соответствующих транзисторов, и каждый преобразователь напряжения в ток содержит дифференциальный усилитель 15, два иден.тичных источника 16 и 17 тока, токозадающий резистор 18.Устройство выборки и хранения работает следующим образом.Дискретизируемое колебание О(т) поступает одновременно на входы преобразователей 1 и 2 напряжения в ток, Входом преобразователя 1 напряжения в ток.является инвертирующий вход дифференциального усилителя 15, на неинвертирующий вход которого подается напряжение Оос(т) отрицательной обратной связи, образующееся на первом выводе токозадающего резистора 18, Цепь отрицательной обратной связи замкнута через управляемый источник 16 тока, который преобразует выходное напряжение дифференциального усилителя 15 в ток 1 ф). Этот ток протекает через токо- задающий резистор 18, За счет большой величины общего коэффициента усилениюпо напряжению и току дифференциального усилителя 15 и управляемого источника 16 тока, который нагружен на токозадающий резистор 18, и действию отрицательной обратной связи напряжение Оос(т) практически совпадает с О(т), а ток, втекающий в неинвертирующий вхОд дифференциального усилителя 15, пренебрежимо мал по сравнению с током 11(т), Поэтому 118)=Оос(т)+104 Оп 2)И= О(т)+ Оп 2 Я= 1 о+ О(т)/й, где Оп 2 -50 15 20 25 30 35 40 45 напряжение питания, к которому подключен второй вывод токозадающего резистора 18 с сопротивлением В; 1 о=Оп 2/й - выходной ток преобразователя 1 напряжения в ток при нулевом напряжении на его входе,Поскольку второй управляемый источник 17 тока полностью идентичен первому управляемому источнику 16 тока, и их входы объединены, выходные токи обоих источников совпадают и равны 1(т).Таким образом, с выхода второго управляемого источника 17 тока, являющегося одновременно выходом первого преобразователя 1 напряжения в ток, на стробирующий ключ поступает ток 1 Ф)=о+О (т) В.Второй преобразователь 2 напряжения в ток отличается от первого преобразователя 1 только противоположными проводимостями соответствующих транзисторов и полярностями питающих напряжений, Поэтому его выходной ток 12(т)=-10+0 (т)/ Я.Питание устройства от двух биполярных источников напРЯженийфОп 1 и ЕОп 2 позволяет путем подбора напряжения ПИтаНИЯ Оп 2 В ШИРОКИХ ПРЕДЕЛаХ ИЗМЕНЯТЬ сопротивление В токозадающего резистора 18, обеспечивая при этом необходимый коэффициент 1 Я преобразования преобразователей 1. и 2 напряжения в ток при выбРанном токе о=Оп 2/Р, Значение 10 Должно выбираться большим, чем абсолютное значение О(т)/В 1 переменной составляющей токов 1 ф) и 2(т). Это необходимо для предотвращения полного задирания преобразователей 1 и 2 напряжения в ток.Токи (т) и 2(1) подаются на первый ключевой элемент 3 на диодах. В режиме выборки (на интервале стробирования) ключевойэлемент 3 замкнут. Замыкание ключевогоэлемента 3 происходит при подаче на вход "Строб" устройства логической единицыТТЛ-уровня, в результате чего источники 10 и 11 тока находятся во включенном состоянии (образующие их транзисторы открыты), а источники 8 и 9 тока - в выключенном состоянии (транзисторы, выполняющие их функцию, закрыты). Это приводит к открытию третьего 6 и четвертого 7 диодов ключевого элемента 3, через которые протекают.1 и 2 напряжения в ток. В точке соединениякатода диода 6, анода диода 7, первой обкладки накопительного элемента 13 и входабуферного усилителя 12 с очень высокимвходным сопротивлением токи 1 ф) и 1 г(т)суммируются, поэтому ток заряда накопительного элемента 13 равен1 з(1)=1 (1) + 1 г(т) =2 О(т)/В.Первый 4 и второй 5 диоды в режимевыборки закрыты и на ток заряда накопительного элемента 13 не влияют,К моменту тг окончания интервала стробирования напряжение на накопительномэлементе 13 составляето, Д Щ)й= с(1)бс,1, 2Ф 1 В(где С - емкость накопительного элемента13;11 - момент начала интервала стробирования.При ограниченной скорости изменения О(1)напряжение О пропорционально мгновенному значению О(т) в середине интерваластробирования, т.е. является отсчетом напряжения в этот момент,Буферный усилитель 12 имеет большойпо модулю отрицательный коэффициент пе. редачи, поэтому как в режиме выборки, таки в режиме хранения напряжение на входебуферного усилителя 12 поддерживаетсяблизким к нулю, В результате выходное напряжение устройства выборки и храненияпрактически совпадает с равным отсчетувходного колебания напряжением Ос на накопительном элементе 13.При переходе в режим хранения на вход"Строб" устройства подается ТТЛ-уровеньлогического нуля. Источники 10 и 11 токавы ключа ются (зэк ры ва ются транзисторы,выполняющие функцию источников 10 и 11тока), а источники 8 и 9 тока включаются(образующие их транзисторы открываются).Выходные токи источников 8 и 9 тока противоположны по знаку выходным токам пре.образователей 1 и 2 напряжения в ток. соответственно и больше их максимальновозможных значений. Поэтому выходнойток источника 8 тока полностью компенсирует выходной ток преобразователя 1 напряжения в ток, а выходной ток источника 9тока - выходной ток преобразователя 2 напряжения в ток. В результате диоды б и 7ключевого элемента 3 закрываются, а диоды4 и 5 открываются и пропускают на общуюшину "Земля" избыточные токи, равные разности выходных токов источников 8 и 9 тока 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 и преобразователей 1 и 2 напряжения в токсоответственно.Таким образом, путем закрытия диодов6 и 7 ключевого элемента 3 полностью размыкается цепь заряда накопительного элемента 13. Буферный усилитель 12 имеетбольшое входное сопротивление, котороепрепятствует разряду накопительного элемента 13 через входную цепь буферногоусилителя 12, Поэтому в течение всего интервала хранения отсчета напряжение навыходе устройства выборки и хранения равно отсчету входного колебания О(1),Перед очередной выборкой на второйключевой элемент 14 подается импульс"Сброс". Ключевой элемент 14 замыкается,и через него осуществляется разряд накопительного элемента 13, напряжение на котором к концу импульса "Сброс" становится.равным нулю.Сброс значения предыдущего отсчетаперед каждой новой выборкой необходимдля обеспечения устойчивости устройствавыборки и хранения.Предлагаемое устройство имеет больший динамический диапазон, чем извест-.ные устройства, при дискретизациивысокочастотных колебаний благодаря следующим факторам.Во-первых, в известном устройстве, каки во всех следящих УВХ, величина тока заряда накопительного элемента больше, чемв предлагаемом устройстве. Следовательно,в известном устройстве выше уровень нелинейных искажений, который определяетсянелинейностью ключевого элемента и уси- .лителя, включаемого на входе устройствавыборки и хранения.Во-вторых, за счет большого выходногосопротивления преобразователей 1 и 2 напряжения в ток, которое многократно превышает сопротивление открытых диодовпервого ключевого элемента 3, ток заряданакопительного элемента 13 не зависит отсопротивления ключевого элемента 3 и, следовательно, его нелинейности в режиме выборки.В-третьих, в данном устройстве перепад управляющего напряжения на первомключевом элементе при переходе из режима хранения в режим выборки и обратноравен О,б - 0,8 В - удвоенному падениюнапряжения на открытом диоде, в то времякак в известном устройстве перепад управляющего напряжения на диодном мостовом. ключе должен быть больше максимальной амплитуды входного колебания, Следовательно, в данном устройстве для перезаряда выходных емкостей источников тока и паразитных емкостей диодов первого ключевого элемента потребуется меньше времени, чем в известном устройстве, Уменьшение времени переключения позволяет снизить апертурную неопределенность, за счет чего уменьшаются уровни шума и нелинейных искажений, возникающих за счет апертурной неопределенности. В результате расширяется динамический диапазон предлагаемого устройства при дискретизации высокочастотных колебаний,В-четвертых, устройство имеет амплитудно-частотную характеристику вида синус-импульса, что обеспечивает подавление спектральных составляющих широкополосных шумов и помех, действующих на входе,15 устройства, частоты которых превышают верхнюю частоту спектра полезного колебания. Применение в устройстве ключевого элемента на диоде, в котором можно использовать диоды Шоттки, не накапливающие заряд и имеющие малое время переключения, позволяет существенно повысить быстродействие ключевого элемента по сравнению с ключами известныхинтегрирующих устройств выборки и хранения, и, следовательно, расширить динамический диапазон устройства.За счет всех перечисленных факторов динамический диапазон устройства выборки и хранения при дискретизации колебаний с частотами до 10 МГц, как показали экспериментальные исследования, в среднем на 15 - 20 дБ выше динамического диапазона известных устройств.Формула изобретения 1, Устройство выборки-хранения, содержащее буферный усилитель, первый, второй, третий и четвертый источники тока, первый ключевой элемент на диодах и второй ключевой элемент, накопительный элемент на конденсаторе, первый вывод которого подключен к объединенным информационному выходу первого ключевого элемента, информационному входу второгоключевого элемента и входу буферного усилителя, выход которого является информационным выходом устройства, первый и второй входы управления первого ключевого элемента подключены соответственно квыходам первого и второго источников тока, управляющие входы которых объединены с соответствующими выходами третьего и четвертого источников тока и подключены соответственно к первой и второй шинампитания устройства, управляющие входытретьего и четвертого источников тока объединены, информационный вход четвертого источника тока является входом стробирования устройства, управляющий вход второго ключевого элемента является входом 20253035404550 сброса устройства, анод первого и катод второго диодов первого ключевого элемента объединены и являются информационным входом первого ключевого элемента, катод первого и анод второго диодов первого ключевого элемента подключены соответственно к его первому и второму управляющим входам, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с. целью расширения динамического диапазона при дискретизации высокочастотных колебаний, в него введены первый и второй преобразователи напряжения в ток, первые входы питания которых подключены соответственно к первой и второй шинам питания устройства, а их вторые входы питания подключены соответственно к третьей и четвертой шинам питания устройства, информационные входы обоих преобразователей напряжения в ток объединены и являются информационным. входом устройства, выходы первого и второго преобразователей напряжения в ток подключены соответственно к первому и второму управляющим входам первого ключевого элемента, информационный вход которого подключен к шине нулевого потенциала устройства, второй вывод конденсатора накопительного элемента объединен с информационным выходом второго ключевого элемента и подключен к информационному выходу устройства, катод первого и анод третьего, диодов первого ключевого элемента объединены, анод второго и катод четвертого диодов первого ключевого элемента обьединены,катод третьего и анод четвертого диодов первого ключевого элемента объединены и подключены к информационному выходу первого ключевого элемента.2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что первый и второй преобразователи напряжения в ток идентичны по структуре, но отличаются полярностью питающих напряжений и проводимостью соответствующих транзисторов и каждый преобразователь йапряжения в ток содержит дифференциаль-ный усилитель, токозадающий элемент на резисторе и два идентичных управляемых источника тока, причем инвертирующий вход дифференциального усилителя является информационным входом преобразователя напряжения в ток, а неинвертирующий соединен с выходом первого управляемого источника тока и первым выводом резистора токозадающего элемента, второй вывод которого подключен к соответствующей третьей или четвертой шине питания устройства, выход дифференциального усилителя подключен к информационным входам1716571 12 тока является соответствующим выходомпреобразователя напряжения в ток. ставитель М.Зарухред М.Моргента едактор Э.Слиг роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 первого и второго управляемых источников тока, вход второго управляемого источника аказ 616 ТиражВНИИПИ Государственного комитета по113035, Москва, Жнский Корректор М,Максимиш Подписноеретениям и открытиям при ГКНТ СССшская наб 4/5