Tema 6. Circ. de muestreo y retención

7/22/2019 Tema 6. Circ. de muestreo y retencin

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J.I.Escudero, M.Parada, F.Simn ITMM 6-1

TEMA 6: CIRCUITOS DE MUESTREO Y RETENCIN

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 retencin.

Cuando se encuentra en muestreo (modo SAMPLE S/H=1), la seal de salida sigue a la seal

de entrada. Por el contrario, si se encuentra en retencin (modo HOLD S/H=0), la salida se

mantiene constante en el tiempo e igual al valor de la salida que sta tuviera en el instante en

que se conmut de muestreo a retencin.

Este circuito se podra interpretar como una memoria analgica. En SAMPLE est

memorizando la seal de entrada, mientras que en HOLD la recuerda y la mantiene en el

tiempo. Su principal finalidad consiste en mantener constante la seal que se quiere convertir

con un convertidor A/D. Por tanto, en sistemas de adquisicin de datos se colocara justo

delante del convertidor A/D.

No siempre es necesario colocar un SAMPLE/HOLD delante del convertidor. Eso depender

del tiempo de conversin del convertidor y sobre todo del tipo de seal a convertir, ya que

existen seales rpidas (seales acsticas, por ejemplo) y seales que varan muy lentamente

en el tiempo (como puede ser, temperatura) que no requieren un SAMPLE/HOLD ya que de

por s son bastantes constantes durante el tiempo de conversin del A/D. Existen casos en los


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que la tecnologa del convertidor no hace necesario el uso del SAMPLE/HOLD incluso con

seales rpidas, son aquellos que se basan en tecnologa de integracin, cuya salida es un

promedio del valor de la seal de entrada durante ese intervalo de tiempo.

El SAMPLE/HOLD puede estar colocado en otro sitio diferente de nuestro sistema deadquisicin 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 despus podamos emplear algo ms de tiempo en procesarlas. En ese caso

la estructura secuencial en el tiempo que antes vimos no sera la adecuada, ya que los valores

de las medidas se habran tomado en tiempos diferentes. Ahora debemos colocar n cadenas

de adquisicin de datos, lo cual resulta caro, o bien montamos la estructura siguiente:

en donde ahora se muestrean todas las seales a la vez, pasando todos los SAMPLE/HOLD a

retencin al mismo tiempo, de manera que se dispondr de las medidas simultneas. Tras esa

toma de medidas se podr 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 posicin de

muestreo de nuevo. Hay que resaltar tambin que en esta estructura no hace falta colocar un

SAMPLE/HOLD delante del convertidor A/D, ya que las seales que llegan a ste ya se

encuentran estabilizadas.


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Hasta ahora hemos visto qu es y cmo funciona un SAMPLE/HOLD desde un punto de

vista ideal. Vamos, ahora, a ver cmo est hecho y cmo se comporta como elemento real de

un circuito.

Su estructura interna es fcil de comprender que estara formada por un condensador, que

almacena la tensin existente y un interruptor.

La seal 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 sera:

1. Se cierra el interruptor (muestreo). Desde el punto de vista real tendramos una resistencia

RON muy pequea, pero no cero, en el lugar del interruptor, con lo cual la tensin en los

extremos del condensador es prcticamente Vi, y por tanto el condensador se cargara a

esa tensin.

2. Se abre el interruptor (retencin) y a la salida tendremos la tensin suministrada por el

condensador.

El tipo de condensador utilizado es muy importante si el proceso de muestreo es rpido, ya

que la rapidez de carga del condensador depender de su constante de tiempo =RON.CH.

Por tanto si debe ser pequea ==> CH tambin (10-30 pF para alta velocidad). Sin embargo,

si es pequea el condensador tambin se descargar rpidamente, lo cual no resultar en

general grave, ya que al ser un proceso rpido no le damos tiempo a la descarga, pero no

obstante hay que tenerlo en cuenta.


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La tecnologa tambin es importante: los condensadores electrolticos no son utilizados en

estos circuitos debido a que suelen tener capacidades altas. Por el contrario, los

condensadores de policarbonato, tefln o poliester, son recomendables debido a las bajas

prdidas que tienen.

Al circuito que tenamos hay que darle an dos retoques importantes: hay que aadirle, tanto

a la entrada como a la salida, un seguidor de tensin.

El seguidor de tensin 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 tambin es necesario ese seguidor de tensin para

conseguir que la impedancia de la fuente de entrada sea cero y consigamos as que la

constante de tiempo slo dependa de RON y CH y, por tanto, que sea perfectamente conocida y

pequea.

Con el interruptor cerrado, el condensador se carga con la tensin 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 5 como el tiempo de carga. Pero si el error admitido

es del 0'1% entonces hay que considerar 7.

El segundo amplificador tiene como funcin el evitar que haya una salida de intensidad del

condensador que permita que este se descargue cuando el interruptor est abierto. Esto no es

realmente as ya que el propio condensador tiene un efecto resistivo en paralelo y adems

algo de intensidad circula por el amplificador, al menos la intensidad de polarizacin.


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Por su parte, el primer amplificador sirve para que la constante de tiempo sea slo RON. C. Si

el amplificador no estuviese, habra que tener en cuenta en el clculo de la impedancia de

salida de la etapa anterior. En el seguidor de tensin esta impedancia es nula (realmente es

del orden de decenas o alguna centena de ohmios) por lo que no influye en .Este sample & hold tiene en cualquier caso la desventaja de que la velocidad de carga del

condensador disminuye exponencialmente segn este se va cargando. Para aumentar esta

velocidad de carga hay que pensar en algn 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 tensin de offset. En efecto, en ausencia dealgn error, pasado un transitorio, en cualquier punto del circuito incluido V o se tiene la

tensin 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:

Cuando el interruptor esta cerrado (modo muestreo), Vo= Vi ya que V+=V-=Vi y adems

pasado el transitorio el condensador est cargado a la misma tensin Vi. Funciona, por tanto,

correctamente. Pero cuando abrimos el interruptor (modo mantenimiento) el primer

amplificador queda en lazo abierto con lo cual tendr una saturacin positiva o negativa

dependiendo del valor de Vi. Si por ejemplo la alimentacin de polarizacin del amplificador

esta en 15 V en salida tendremos unos 12 V ya que en saturacin un amplificador presenta

unos 2 o 3 V menos en salida que la alimentacin de polarizacin 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

Vo


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entrada est 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 s 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 ser

Error! Marcador no M. MUESTREO M. MANTENIMIENTO

SW1 Cerrado Abierto

SW2 Abierto Cerrado

SW3 Cerrado Abierto

En modo de muestreo los interruptores estn 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 est abierto por lo que en ningn caso hay circulacin de

intensidad.

En modo de mantenimiento SW2 Cerrado para que haya realimentacin en OP1 y sea un

seguidor de tensin.

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 seal S/H que en el caso de SW2 llevar

un inversor.


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Otra solucin es la que se muestra a continuacin utilizando diodos de conmutacin.

En modo de muestreo los diodos estn en corte ya que si el interruptor est cerrado,

Vi=V+=V- y en el punto A se tiene la tensin Vi y tambin en Vo y por tanto en C ya que es

Vo= V-=V+=VC. Se tiene por tanto la misma tensin a ambos lados de los diodos con lo que

estos se cortan. Adems, y por la misma razn 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 l, el condensador est cargado y el circuito abierto.

En modo mantenimiento se tiene que los diodos estaban abiertos y ahora al abrir el circuito se

producirn 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 tensin Vo. Al tender el

amplificador a saturacin la Vo1 tiende a crecer o a disminuir. En el momento en que la V o1 se

separe de Vo una tensin VON el diodo correspondiente comienza a conducir y fija la tensin

Vo1=Vo+VON. Es decir

Si Vi>Vo el amp1 se satura positivamente y D2 ON

Si Vi


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valor de partida. De esta manera al volver a muestreo el proceso es mucho ms rpido ya que

la diferencia de tensiones es mnima.

Supongamos ahora, que en un sistema de adquisicin de datos, pretendemos tomar medidascon una frecuencia del orden de 1 MHz. Esto quiere decir que el perodo de muestreo debe

ser, como mximo, de 1 s. Como sabemos el tiempo de muestreo depender bsicamente 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 pequeos (220 pF), a pesar de los

cuales no se consigue todava el tiempo de muestreo deseado. Eso se debe al hecho de que el

condensador al tiempo que se va cargando, va disminuyendo la corriente elctrica que recibe.

Al principio, con el condensador descargado, la intensidad es mxima, pero a medida queaumenta 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 sta no es

constante

Por tanto, si nos interesa una carga rpida 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 rgimen estacionario es

Vo=Vi, por tanto la intensidad I ser

R

V=I

ON

01


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Este diseo presenta una ganancia unidad, por lo que se le da el nombre de SAMPLE/HOLD

no inversor, lo cual se puede determinar tambin 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 quemostramos a continuacin, 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-=RR

V-=IR-=V ii

0

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 cunto se aleja

un SAMPLE/HOLD real de su comportamiento ideal, los fabricantes definen una serie de

parmetros que nos dan una idea de esa desviacin. Antes de ver algunos de esos parmetros

caractersticos, vamos a ver los principales problemas que presenta un SAMPLE/HOLD real:

Est claro que los tiempos empleados no son instantneos. Los interruptores,

condensadores, etc., requieren de un tiempo para llevar a cabo su tarea. Por ello, los

parmetros caractersticos nos deben indicar cules son los tiempos reales de

funcionamiento del SAMPLE/HOLD en muestreo y retencin. Tambin nos indicarn la

precisin de carga del condensador C en muestreo.

Tambin es importante conocer la magnitud de los errores en la salida y a qu son

debidos. As, en el perodo de muestreo es interesante conocer la precisin del tiempo de


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muestreo y en retencin es conveniente conocer cmo vara, en el tiempo, la salida por la

descarga del condensador y cmo a travs de capacidades parsitas aparecen variaciones

puntuales en la salida que siguen a la seal de entrada.

Vamos a ver algunos de los parmetros caractersticos facilitados por los fabricantes, para

ello los vamos a separar en dos grupos: muestreo y retencin.

MUESTREO:

En la figura siguiente vemos el valor de la entrada al SAMPLE/HOLD, que vara en el

tiempo; su salida, que al principio es constante, por estar en HOLD y cmo al pasar de

retencin a muestreo, la seal de salida evoluciona hacia el valor actual de la seal deentrada. En 1 se representa el hecho de que la respuesta, al pasar a muestreo, no es

instantnea. En 2 tenemos un cierto tiempo que emplea en alcanzar el valor actual y, por

ltimo, en 3 se observa cmo el valor no se estabiliza al instante sino que necesita un cierto

tiempo para ello.

Tiempo de adquisicin tADQ:

es el tiempo que transcurre desde que se da la orden de pasar de retencin a muestreo, hasta

que la salida alcanza a la entrada dentro de un margen de error establecido. Este tiempo ser

mayor cuanto mayor sea la precisin requerida. Para el SAMPLE/HOLD SHC76 de Burr-

Brown los tiempos de adquisicin son:

Muestreo

Entrada

1 2 3

Salida


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Para 0,01% y 20 V tADQ= 3 s

Para 0,003% y 20 V tADQ= 6 s

En donde los 20 V que aparecen representa la mxima variacin posible que permite el

SAMPLE/HOLD correspondiente y los tiempos dados se refieren a ese caso, quenaturalmente ser el peor posible.

Una vez aplicada la seal de control, la seal de salida tarda un tiempo en comenzar a

responder (1) y despus 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) est

oscilando hasta alcanzar definitivamente de forma estacionaria a la seal de entrada a la que

sigue. Pues bien, algunos fabricantes llaman tiempo de adquisicin al tiempo 1+2 mientrasque otros a la suma de los tiempos 1+2+3. Para saber a qu definicin nos estamos refiriendo

hay que mirar la explicacin del fabricante. en el caso del SHC76 se refiere a la suma de los

tres tiempos.

En caso de que slo 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 analgico 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 est abierto.

3. La prdida de tensin en el condensador a medida que pasa el tiempo y que hace que la

tensin 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 seal de control

pasa de modo muestreo a modo retencin hasta que la seal de salida deja de seguir a la


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entrada. Se mide desde el 50% del cambio de la seal de control hasta el instante en que la

salida deja de seguir a la entrada.

Para el SHC76 este tiempo de apertura es de 30 ns lo que demuestra que hay un dominancia

clara del tiempo de adquisicin 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 ms pequeo (0'4 ns en el SHC76) puede tener

ms importancia por su carcter de "desconocido o imprevisto". Adems puede aparecer al

igual que en el modo muestreo un tiempo de asentamiento que es el tiempo que tarda la seal

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 retencin necesario para poder entregar la seal al convertidor A/D es

t+t+t=t AAADQTOTAL

donde se aprecia que el factor dominante es el tiempo de adquisicin.

Todos los valores dados y los que en general dan los fabricantes son para el peor de los casos.

Es decir, errores mximos.

2. Para que el circuito funcione correctamente la seal de salida debe ser justo la que haba

cuando se abri el interruptor. Pero esta orden se da mediante un pulso introducido en S/H.

Aunque el interruptor analgico est abierto, existen capacidades parsitas entre la fuente y el

Salida

tA


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drenador del JFET (entrada y salida del interruptor) de forma que existe un camino entre

entrada y salida. A travs de ese camino, parte de la entrada se transfiere a la salida,

apareciendo como una variacin de tensin en salida que se denomina escaln y que

representa el error producido a la salida debida al pulso de control que se aplica al interruptoranalgico.

Para el SHC76 este error es de unos 4 mV. Sin embargo este es un valor mximo por lo que

el inconveniente que presenta este escaln es que al no ser un valor fijo no es posible evitarlo

o contrarrestarlo.

El camino entre entrada y salida produce adems que no slo el pulso de control pase en

parte a la salida, sino que tambin la propia entrada tenga un camino de paso apareciendo en

parte en la salida.

Se define un parmetro de atenuacin o rechazo que produce el circuito al posible paso de

seal de la entrada a la salida. Se mide en dB y da la atenuacin de paso en el modo

retencin entre la entrada y la salida. Para el SHC76 es de 86 dB.

3. Debido a las prdidas que presenta el condensador, a las capacidades parsitas etc., se

producen prdidas en la salida de forma que esta no es un nivel estacionario sino algo que

disminuye con el tiempo.

El parmetro que mide este error es la cada que mide la variacin de tensin en la salida a lo

largo del tiempo en rgimen permanente. Se mide en V/s. El SHC76 tiene una cada de 1V/s.

Escaln


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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 conversin es 1 s o algo ms, se realizan unas 100000

conversiones por segundo por lo que el tiempo que pasa entre una y otra es muy pequeo y

este parmetro casi no influye. Sin embargo en algunas ocasiones hay que tenerlo en cuenta.Como hemos indicado, la cada se debe principalmente a tres factores

Las prdidas en el condensador, las cuales dependen mucho de la tecnologa de

fabricacin. La prdida se puede modelar como una R en paralelo con C. Si el

condensador es de la tecnologa adecuada las perdidas deben ser pequeas.

El condensador no est aislado sino que va conectado al interruptor analgico y al

amplificador de salida. En el amplificador existen las corrientes de polarizacin que

hacen que haya una posibilidad de descarga del C. Por tanto si se quiere un S/H con pocacada, se debe seleccionar un amplificador de salida con intensidades de polarizacin

pequeas.

El valor de C influye mucho en la descarga, siendo ms importante esta influencia cuanto

menor sea C. En efecto C=Q/V y tomando diferenciales con respecto al tiempo tenemos

C

I=cadada

ca

I=

dt

dVdt

dQ

=C _

La eleccin del valor de C se tiene que hacer teniendo en cuenta que influye de forma

contraria en dos caractersticas del S/H ambas deseables: bajos tiempos y exactitud. En

efecto: cuanto mayor sea C menor es la cada pero mayor el tiempo de adquisicin 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 seal de entrada y permitir quese haga la conversin mediante el A/D. Tiene una entrada y una salida y una seal de control

que pasa de modo muestreo a modo retencin. De todos los parmetros debidos a fuentes de

error, slo hay que tener en cuenta siempre el tiempo de adquisicin y el escaln tambin

puede ser preocupante. Los dems parmetros habr que considerarlos o no dependiendo de

la aplicacin.

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