tema 6: circuitos de muestreo y retención

TEMA 6: CIRCUITOS DE MUESTREO Y RETENCIÓN
Consta de una entrada y una salida y dispone de una entrada de control, S/H. Si S/H=1, el
circuito se encuentra en muestreo, si S/H=0, entonces se encuentra en retención.
Cuando se encuentra en muestreo (modo SAMPLE S/H=1), la señal de salida sigue a la señal
de entrada. Por el contrario, si se encuentra en retención (modo HOLD S/H=0), la salida se
mantiene constante en el tiempo e igual al valor de la salida que ésta tuviera en el instante en
que se conmutó de muestreo a retención.
Este circuito se podría interpretar como una memoria analógica. En SAMPLE está
memorizando la señal de entrada, mientras que en HOLD la recuerda y la mantiene en el
tiempo. Su principal finalidad consiste en mantener constante la señal que se quiere convertir
con un convertidor A/D. Por tanto, en sistemas de adquisición de datos se colocaría justo
delante del convertidor A/D.
No siempre es necesario colocar un SAMPLE/HOLD delante del convertidor. Eso dependerá
del tiempo de conversión del convertidor y sobre todo del tipo de señal a convertir, ya que
existen señales rápidas (señales acústicas, por ejemplo) y señales que varían muy lentamente
en el tiempo (como puede ser, temperatura) que no requieren un SAMPLE/HOLD ya que de
por sí son bastantes constantes durante el tiempo de conversión del A/D. Existen casos en los
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que la tecnología del convertidor no hace necesario el uso del SAMPLE/HOLD incluso con
señales rápidas, son aquellos que se basan en tecnología de integración, cuya salida es un
promedio del valor de la señal de entrada durante ese intervalo de tiempo.
El SAMPLE/HOLD puede estar colocado en otro sitio diferente de nuestro sistema de
adquisición de datos (SAD). Por ejemplo, en algunas ocasiones necesitamos conocer el valor
de un conjunto de variables en el mismo instante de tiempo, (por ejemplo, medidas en un
terremoto), aunque después podamos emplear algo más de tiempo en procesarlas. En ese caso
la estructura secuencial en el tiempo que antes vimos no sería la adecuada, ya que los valores
de las medidas se habrían tomado en tiempos diferentes. Ahora debemos colocar n cadenas
de adquisición de datos, lo cual resulta caro, o bien montamos la estructura siguiente:
en donde ahora se muestrean todas las señales a la vez, pasando todos los SAMPLE/HOLD a
retención al mismo tiempo, de manera que se dispondrá de las medidas simultáneas. Tras esa
toma de medidas se podrá ir estudiando cada una de ellas en forma sucesiva. Con este sistema
no se consigue una frecuencia de muestreo muy alta ya que hay que esperar a analizar todas
las medidas tomadas para volver a colocar todos los SAMPLE/HOLD en posición de
muestreo de nuevo. Hay que resaltar también que en esta estructura no hace falta colocar un
SAMPLE/HOLD delante del convertidor A/D, ya que las señales que llegan a éste ya se
encuentran estabilizadas.
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Hasta ahora hemos visto qué es y cómo funciona un SAMPLE/HOLD desde un punto de
vista ideal. Vamos, ahora, a ver cómo está hecho y cómo se comporta como elemento real de
un circuito.
Su estructura interna es fácil de comprender que estaría formada por un condensador, que
almacena la tensión existente y un interruptor.
La señal S/H rige el comportamiento del interruptor. De tal manera que el modo ON del
interruptor coincide con el modo SAMPLE y el modo OFF con el modo HOLD de
mantenimiento.
Su funcionamiento sería:
1. Se cierra el interruptor (muestreo). Desde el punto de vista real tendríamos una resistencia
RON muy pequeña, pero no cero, en el lugar del interruptor, con lo cual la tensión en los
extremos del condensador es prácticamente Vi, y por tanto el condensador se cargaría a
esa tensión.
2. Se abre el interruptor (retención) y a la salida tendremos la tensión suministrada por el
condensador.
El tipo de condensador utilizado es muy importante si el proceso de muestreo es rápido, ya
que la rapidez de carga del condensador dependerá de su constante de tiempo τ =RON.CH.
Por tanto si τ debe ser pequeña ==> CH también (10-30 pF para alta velocidad). Sin embargo,
si τ es pequeña el condensador también se descargará rápidamente, lo cual no resultará en
general grave, ya que al ser un proceso rápido no le damos tiempo a la descarga, pero no
obstante hay que tenerlo en cuenta.
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La tecnología también es importante: los condensadores electrolíticos no son utilizados en
estos circuitos debido a que suelen tener capacidades altas. Por el contrario, los
condensadores de policarbonato, teflón o poliester, son recomendables debido a las bajas
pérdidas que tienen.
Al circuito que teníamos hay que darle aún dos retoques importantes: hay que añadirle, tanto
a la entrada como a la salida, un seguidor de tensión.
El seguidor de tensión a la salida hace que nuestro circuito tenga alta impedancia a la salida,
con lo cual evitamos que al conectarse a otro circuito, con impedancia de entrada Z, el
condensador se descargue. A la entrada también es necesario ese seguidor de tensión para
conseguir que la impedancia de la fuente de entrada sea cero y consigamos así que la
constante de tiempo sólo dependa de RON y CH y, por tanto, que sea perfectamente conocida y
pequeña.
Con el interruptor cerrado, el condensador se carga con la tensión existente a la salida del
primer amplificador. El tiempo que se considera de carga depende del error que se admita. Si
se admite un error del 1% se considera 5τ como el tiempo de carga. Pero si el error admitido
es del 0'1% entonces hay que considerar 7τ.
El segundo amplificador tiene como función el evitar que haya una salida de intensidad del
condensador que permita que este se descargue cuando el interruptor esté abierto. Esto no es
realmente así ya que el propio condensador tiene un efecto resistivo en paralelo y además
algo de intensidad circula por el amplificador, al menos la intensidad de polarización.
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Por su parte, el primer amplificador sirve para que la constante de tiempo sea sólo RON. C. Si
el amplificador no estuviese, habría que tener en cuenta en el cálculo de τ la impedancia de
salida de la etapa anterior. En el seguidor de tensión esta impedancia es nula (realmente es
del orden de decenas o alguna centena de ohmios) por lo que no influye en τ.
Este sample & hold tiene en cualquier caso la desventaja de que la velocidad de carga del
condensador disminuye exponencialmente según este se va cargando. Para aumentar esta
velocidad de carga hay que pensar en algún procedimiento para que la velocidad de carga
permanezca constante.
Otro inconveniente es que al no ser realimentado el circuito, cualquier error que se produzca
se acumula y aparece en salida. Por ejemplo la tensión de offset. En efecto, en ausencia de
algún error, pasado un transitorio, en cualquier punto del circuito incluido Vo se tiene la
tensión de entrada VIN. Pero si aparece una VOFFSET en la entrada esta se acumula a la salida
sin poderse eliminar. En cambio, con circuitos realimentados, este problema no ocurre.
Veamos el circuito de la figura:
Vo
Cuando el interruptor esta cerrado (modo muestreo), Vo= Vi ya que V+=V-=Vi y además
pasado el transitorio el condensador está cargado a la misma tensión Vi. Funciona, por tanto,
correctamente. Pero cuando abrimos el interruptor (modo mantenimiento) el primer
amplificador queda en lazo abierto con lo cual tendrá una saturación positiva o negativa
dependiendo del valor de Vi. Si por ejemplo la alimentación de polarización del amplificador
esta en ±15 V en salida tendremos unos ±12 V ya que en saturación un amplificador presenta
unos 2 o 3 V menos en salida que la alimentación de polarización independientemente de lo
que tenga en entrada. Si por ejemplo esta es de 0'5 V, se tiene que en modo muestreo, la
salida es 0'5 V. Si en ese momento se abre el interruptor y se pone en modo mantenimiento,
la Vo1 se dispara a ±12 V. Si se pasa de nuevo a modo muestreo cerrando el interruptor, la
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entrada está en torno a 0'5 V pero la Vo1 esta a ±12 V y tiene que evolucionar hasta los 0'5 V.
Esto toma un tiempo muy alto hasta que el amplificador se estabilice. Esto no significa mal
funcionamiento pero sí tiempos muy largos.
Un modo de arreglar esto es poner tres interruptores.
El estado de los interruptores para que en modo muestreo se comporte este circuito igual que
el anterior y en modo mantenimiento se eviten los tiempos largos será
¡Error!
•
Marcador
no M. MUESTREO
M. MANTENIMIENTO
SW1
Cerrado
Abierto
SW2
Abierto
Cerrado
SW3
Cerrado
Abierto
En modo de muestreo los interruptores están configurados para que quede el mismo
circuito que antes. LA RON del SW3 no influye ya que va conectada al terminal inversor
del OP1 y a SW2 que está abierto por lo que en ningún caso hay circulación de
intensidad.
•
En modo de mantenimiento SW2 Cerrado para que haya realimentación en OP1 y sea un
seguidor de tensión.
•
SW3 Abierto para aislar la salida de la entrada.
Como se ve el comportamiento de SW2 es el contrario al de los otros dos con lo que los tres
interruptores pueden ser controlados por la misma señal S/H que en el caso de SW2 llevará
un inversor.
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Otra solución es la que se muestra a continuación utilizando diodos de conmutación.
En modo de muestreo los diodos están en corte ya que si el interruptor está cerrado,
Vi=V+=V- y en el punto A se tiene la tensión Vi y también en Vo y por tanto en C ya que es
Vo= V-=V+=VC. Se tiene por tanto la misma tensión a ambos lados de los diodos con lo que
estos se cortan. Además, y por la misma razón que antes, no influye la resistencia R. El
circuito es, por tanto, el inicial. La RON del interruptor tampoco influye porque suponemos el
estacionario y en él, el condensador está cargado y el circuito abierto.
En modo mantenimiento se tiene que los diodos estaban abiertos y ahora al abrir el circuito se
producirán los siguientes cambios: OP1 se queda en lazo abierto con lo que tiende a
saturarse. Pero los diodos lo evitan ya que en A se tiene la tensión Vo. Al tender el
amplificador a saturación la Vo1 tiende a crecer o a disminuir. En el momento en que la Vo1 se
separe de Vo una tensión VON el diodo correspondiente comienza a conducir y fija la tensión
Vo1=Vo+VON. Es decir
Si Vi>Vo el amp1 se satura positivamente y D2 ON
Si Vi<Vo el amp1 se satura negativamente y D1 ON
En ambos casos la Vo1 y la Vo solo difieren en la VON con lo que al cerrar de nuevo, el
proceso será más rápido.
De esta manera conseguimos evitar que el amplificador 1 se separe mucho del valor inicial y
en saturación, uno de los diodos conduce, convirtiéndose en una fuente de tensión de 0,7 V.
Con ello, en retención, se mantiene el valor de Vo1 a sólo 0,7 V por encima o por debajo del
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valor de partida. De esta manera al volver a muestreo el proceso es mucho más rápido ya que
la diferencia de tensiones es mínima.
Supongamos ahora, que en un sistema de adquisición de datos, pretendemos tomar medidas
con una frecuencia del orden de 1 MHz. Esto quiere decir que el período de muestreo debe
ser, como máximo, de 1 µs. Como sabemos el tiempo de muestreo dependerá básicamente de
la constante de tiempo del condensador, que a su vez depende de la capacidad del
condensador. Por ello, debemos usar valores de C muy pequeños (220 pF), a pesar de los
cuales no se consigue todavía el tiempo de muestreo deseado. Eso se debe al hecho de que el
condensador al tiempo que se va cargando, va disminuyendo la corriente eléctrica que recibe.
Al principio, con el condensador descargado, la intensidad es máxima, pero a medida que
aumenta la carga almacenada la intensidad disminuye, y lo hace de forma exponencial. Si nos
fijamos en el circuito siguiente, observamos que la intensidad depende de VC y ésta no es
constante
Por tanto, si nos interesa una carga rápida debemos evitar este problema. Esto se puede llevar
a cabo con el circuito siguiente.
En muestreo (SW cerrado) el interruptor hace el papel de RON y en régimen estacionario es
Vo=Vi, por tanto la intensidad I será
I=
V01
RON
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Este diseño presenta una ganancia unidad, por lo que se le da el nombre de SAMPLE/HOLD
no inversor, lo cual se puede determinar también viendo que la entrada del circuito llega a la
entrada no inversora del primer amplificador.
Otro circuito capaz de realizar la carga del condensador a intensidad constante, es el que
mostramos a continuación, con la principal diferencia de que ahora la ganancia es G=-1, por
ello, recibe el nombre de SAMPLE/HOLD inversor. Ahora, la entrada al circuito se hace por
el terminal inversor del primer amplificador.
Suponiendo que las resistencias son del mismo valor R, la salida V0 tendremos:
V 0 = - IR = -
Vi R=Vi
R
Hasta ahora hemos visto el SAMPLE/HOLD como un circuito ideal, sin embargo la realidad
no es exactamente lo que hemos visto hasta este momento. Por ello, y para ver cuánto se aleja
un SAMPLE/HOLD real de su comportamiento ideal, los fabricantes definen una serie de
parámetros que nos dan una idea de esa desviación. Antes de ver algunos de esos parámetros
característicos, vamos a ver los principales problemas que presenta un SAMPLE/HOLD real:
•
Está claro que los tiempos empleados no son instantáneos. Los interruptores,
condensadores, etc., requieren de un tiempo para llevar a cabo su tarea. Por ello, los
parámetros característicos nos deben indicar cuáles son los tiempos reales de
funcionamiento del SAMPLE/HOLD en muestreo y retención. También nos indicarán la
precisión de carga del condensador C en muestreo.
•
También es importante conocer la magnitud de los errores en la salida y a qué son
debidos. Así, en el período de muestreo es interesante conocer la precisión del tiempo de
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muestreo y en retención es conveniente conocer cómo varía, en el tiempo, la salida por la
descarga del condensador y cómo a través de capacidades parásitas aparecen variaciones
puntuales en la salida que siguen a la señal de entrada.
Vamos a ver algunos de los parámetros característicos facilitados por los fabricantes, para
ello los vamos a separar en dos grupos: muestreo y retención.
MUESTREO:
En la figura siguiente vemos el valor de la entrada al SAMPLE/HOLD, que varía en el
tiempo; su salida, que al principio es constante, por estar en HOLD y cómo al pasar de
retención a muestreo, la señal de salida evoluciona hacia el valor actual de la señal de
entrada. En 1 se representa el hecho de que la respuesta, al pasar a muestreo, no es
instantánea. En 2 tenemos un cierto tiempo que emplea en alcanzar el valor actual y, por
último, en 3 se observa cómo el valor no se estabiliza al instante sino que necesita un cierto
tiempo para ello.
1
2
3
Entrada
Salida
Muestreo
Tiempo de adquisición tADQ:
es el tiempo que transcurre desde que se da la orden de pasar de retención a muestreo, hasta
que la salida alcanza a la entrada dentro de un margen de error establecido. Este tiempo será
mayor cuanto mayor sea la precisión requerida. Para el SAMPLE/HOLD SHC76 de BurrBrown los tiempos de adquisición son:
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Para ± 0,01% y 20 V tADQ= 3 µs
Para ± 0,003% y 20 V tADQ= 6 µs
En donde los 20 V que aparecen representa la máxima variación posible que permite el
SAMPLE/HOLD correspondiente y los tiempos dados se refieren a ese caso, que
naturalmente será el peor posible.
Una vez aplicada la señal de control, la señal de salida tarda un tiempo en comenzar a
responder (1) y después otro en llegar a valer lo mismo que la entrada (2). Pero una vez que
alcanza el valor de entrada, la inercia hace que se pase y que durante un tiempo (3) esté
oscilando hasta alcanzar definitivamente de forma estacionaria a la señal de entrada a la que
sigue. Pues bien, algunos fabricantes llaman tiempo de adquisición al tiempo 1+2 mientras
que otros a la suma de los tiempos 1+2+3. Para saber a qué definición nos estamos refiriendo
hay que mirar la explicación del fabricante. en el caso del SHC76 se refiere a la suma de los
tres tiempos.
En caso de que sólo se refiera a los dos primeros, al tercero se le da el nombre de tiempo de
establecimiento o asentamiento en el modo de muestreo.
MANTENIMIENTO:
En el modo de mantenimiento se tienen varias fuentes de error. Las tres principales son:
1. El tiempo que pasa desde que al interruptor analógico le damos la orden de abrirse hasta
que lo hace.
2. Las variaciones que pueden aparecer en la salida debido a las variaciones que se producen
en la entrada aunque el interruptor esté abierto.
3. La pérdida de tensión en el condensador a medida que pasa el tiempo y que hace que la
tensión en la salida se vaya perdiendo.
Vamos a estudiar el significado y el rango de valores de cada uno de estos errores.
1. Se denomina tiempo de apertura tA al tiempo que transcurre desde que la señal de control
pasa de modo muestreo a modo retención hasta que la señal de salida deja de seguir a la
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entrada. Se mide desde el 50% del cambio de la señal de control hasta el instante en que la
salida deja de seguir a la entrada.
Salida
tA
Para el SHC76 este tiempo de apertura es de 30 ns lo que demuestra que hay un dominancia
clara del tiempo de adquisición sobre el tiempo de apertura.
Sin embargo tampoco es este el comportamiento real ya que existe una incertidumbre del
tiempo de apertura ∆tA que como su nombre indica es un margen de error existente en el
propio tiempo de apertura y que aunque es más pequeño (0'4 ns en el SHC76) puede tener
más importancia por su carácter de "desconocido o imprevisto". Además puede aparecer al
igual que en el modo muestreo un tiempo de asentamiento que es el tiempo que tarda la señal
en dejar de oscilar alrededor del valor final. Algunos fabricantes, como Burr-Brown lo
incluyen en el tiempo de apertura.
Se tiene por tanto que el tiempo total necesario por un S/H para hacer el ciclo completo de
lectura y retención necesario para poder entregar la señal al convertidor A/D es
tTOTAL = t ADQ + t A + ∆ t A
donde se aprecia que el factor dominante es el tiempo de adquisición.
Todos los valores dados y los que en general dan los fabricantes son para el peor de los casos.
Es decir, errores máximos.
2. Para que el circuito funcione correctamente la señal de salida debe ser justo la que había
cuando se abrió el interruptor. Pero esta orden se da mediante un pulso introducido en S/H.
Aunque el interruptor analógico esté abierto, existen capacidades parásitas entre la fuente y el
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drenador del JFET (entrada y salida del interruptor) de forma que existe un camino entre
entrada y salida. A través de ese camino, parte de la entrada se transfiere a la salida,
apareciendo como una variación de tensión en salida que se denomina escalón y que
representa el error producido a la salida debida al pulso de control que se aplica al interruptor
analógico.
Escalón
Para el SHC76 este error es de unos 4 mV. Sin embargo este es un valor máximo por lo que
el inconveniente que presenta este escalón es que al no ser un valor fijo no es posible evitarlo
o contrarrestarlo.
El camino entre entrada y salida produce además que no sólo el pulso de control pase en
parte a la salida, sino que también la propia entrada tenga un camino de paso apareciendo en
parte en la salida.
Se define un parámetro de atenuación o rechazo que produce el circuito al posible paso de
señal de la entrada a la salida. Se mide en dB y da la atenuación de paso en el modo
retención entre la entrada y la salida. Para el SHC76 es de 86 dB.
3. Debido a las pérdidas que presenta el condensador, a las capacidades parásitas etc., se
producen pérdidas en la salida de forma que esta no es un nivel estacionario sino algo que
disminuye con el tiempo.
El parámetro que mide este error es la caída que mide la variación de tensión en la salida a lo
largo del tiempo en régimen permanente. Se mide en V/s. El SHC76 tiene una caída de 1V/s.
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Esto es una cantidad muy grande. Sin embargo hay que tener en cuenta que el tiempo que
tarda el A/D en hacer una conversión es 1 µs o algo más, se realizan unas 100000
conversiones por segundo por lo que el tiempo que pasa entre una y otra es muy pequeño y
este parámetro casi no influye. Sin embargo en algunas ocasiones hay que tenerlo en cuenta.
Como hemos indicado, la caída se debe principalmente a tres factores
•
Las pérdidas en el condensador, las cuales dependen mucho de la tecnología de
fabricación. La pérdida se puede modelar como una R en paralelo con C. Si el
condensador es de la tecnología adecuada las perdidas deben ser pequeñas.
•
El condensador no está aislado sino que va conectado al interruptor analógico y al
amplificador de salida. En el amplificador existen las corrientes de polarización que
hacen que haya una posibilidad de descarga del C. Por tanto si se quiere un S/H con poca
caída, se debe seleccionar un amplificador de salida con intensidades de polarización
pequeñas.
•
El valor de C influye mucho en la descarga, siendo más importante esta influencia cuanto
menor sea C. En efecto C=Q/V y tomando diferenciales con respecto al tiempo tenemos
dQ
I
I
C = dt =
Ída_caÍda =
dV ca
C
dt
La elección del valor de C se tiene que hacer teniendo en cuenta que influye de forma
contraria en dos características del S/H ambas deseables: bajos tiempos y exactitud. En
efecto: cuanto mayor sea C menor es la caída pero mayor el tiempo de adquisición debido a
que aumenta el tiempo de carga del C. Por tanto hay que buscar un valor de compromiso
entre ambos factores.
En resumen vemos que el S/H tiene utilidad para adquirir la señal de entrada y permitir que
se haga la conversión mediante el A/D. Tiene una entrada y una salida y una señal de control
que pasa de modo muestreo a modo retención. De todos los parámetros debidos a fuentes de
error, sólo hay que tener en cuenta siempre el tiempo de adquisición y el escalón también
puede ser preocupante. Los demás parámetros habrá que considerarlos o no dependiendo de
la aplicación.
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