DE2441192C2 - Sample and hold circuit for determining the voltage value contained in a periodic signal - Google Patents
Sample and hold circuit for determining the voltage value contained in a periodic signalInfo
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Description
Die durch die erfindungsgemäße Schaltung erzielte Ersparnis ist nicht unerheblich, wenn man bedenkt, daß in der Fernsehmeßtechnik längs einer Übertragungsstrecke eine Vielzahl von Meßgeräten eingesetzt werden, die oft 30 oder mehr derartige Abtastschaltungen enthalten.The savings achieved by the circuit according to the invention are not insignificant when you consider that In television measurement technology, a large number of measuring devices are used along a transmission path often 30 or more such sampling circuits contain.
Es sind summierende Abtastschaltungen mit Zwischenspeicher bekannt, bei denen nach, dem Abtastschalter in Reihe zu einem Integrationskondensator, der parallel zu einem Operationsverstärker liegt, ein Widerstand geschaltet ist (Elektronische Rechenanlagen, 3, 1961, Heft 3, Seite 119 bis 122, Bild 8). Diese bekannte Schaltung bildet das Integral über die dem Zwischenspeicher entnommenen Abtastspannungswerte und nicht deren Mittelwert Bei dieser bekannten Schaltung ist der Integrationskondensator auch nicht zu einem aktiven Filter höherer Ordnung ergänztThere are summing sampling circuits with a buffer known in which after, the sampling switch in series with an integration capacitor that is parallel to an operational amplifier Resistance is switched (electronic computing systems, 3, 1961, issue 3, pages 119 to 122, Fig. 8). These known circuit forms the integral over the sampling voltage values taken from the buffer memory and not their mean value. In this known circuit, the integration capacitor is not closed either an active higher-order filter added
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der F i g. 4 und 5 an drei Ausführungsbeispielen näher erläutertThe invention is illustrated below with reference to FIGS. 4 and 5 explained in more detail using three exemplary embodiments
F i g. 3 zeigt zunächst die Ergänzung der in F i g. 1 dargestellten bekannten Abtast- und Halte-Schaltung zu einem Filter erster Ordnung durch einfache Serienschaltung eines Widerstandes R 1 zum elektronischen Schalter S und abzutastender Signalquelle U. Die Abtastung erfolgt mit Impulsen, deren Abtastzeit t/sich nach dem jeweiligen abzutastenden Signalverlauf richtet und im allgemeinen in der Größenordnung zwischen 0,1 und 2μ5 liegt. Sofern die Zeitkonstante Ri · C\> dist, wird durch die definierte Abtastzeit d das Eingangssignal mit einem Spaltfrequenzgang der FormF i g. 3 initially shows the addition to the in FIG. 1 shown known sample-and-hold circuit to a filter of the first order by simply connecting a resistor R 1 in series to the electronic switch S and the signal source U to be sampled is in the order of magnitude between 0.1 and 2μ5. Provided that the time constant Ri · C \> d , the input signal with a slit frequency response of the form is given by the defined sampling time d
π dfπ df
bewertet. Zum Messen des Weißimpulspegels bei einem Fernsehprüfzeilensignal wird beispielsweise eine Abtastzeit d von 1 [is verwendet, und es wird hierbei der Pegelmittelwert innerhalb dieser Abtastzeit d ermittelt, was zulässig ist, solange der Signalverlauf innerhalb dieser Zeit linear verläuft oder die Krümmung vernachlässigbar gering ist. Die Abtastperiodendauer Tp richtet sich nach der Wiederholfrequenz des abzutastenden Signals und beträgt in der Prüfzeilenmeßtechnik beispielsweise 40 ms.rated. To measure the white pulse level in a television test line signal, a sampling time d of 1 [is , for example, is used, and the mean level value is determined within this sampling time d, which is permissible as long as the signal curve is linear within this time or the curvature is negligibly small. The sampling period T p depends on the repetition frequency of the signal to be sampled and is 40 ms, for example, in test line measurement technology.
Der Widerstand R1 bildet zusammen mit dem Abtastschalter 5 und dem nachgeschalteten Speicherkondensatoi-Cl ein überschwingfreies Tiefpaßfilter, das die dem Signal überlagerten Störspannungen, beispielsweise weißes Rauschen, mit a einer Spaltfunktion (Spaltfrequenzgang) und b einem /?C-Amplitudenfrequenzgang mit der ZeitkonstanteThe resistor R 1, together with the sampling switch 5 and the downstream storage capacitor C1, forms an overshoot-free low-pass filter, which reduces the interference voltages superimposed on the signal, for example white noise, with a split function (split frequency response) and b a /? C amplitude frequency response with the time constant
bewertet. Während der Abtastzeit d fließt durch den Ladewiderstand R 1 ein Strom, der von der Spannungsdifferenz aus der Eingangsspannung der Signalquelle U t>o und der aktuellen Spannung am Speicherkondensator Cl bestimmt wird. Während der Haltezeit, d.h. bei offenem Schalter S, bleibt der Spannungspegel am Speicherkondensator Cl konstant. Am Ausgang des als Impedanzwandler dienenden Operationsverstärkers O b5 ergibt sich eine treppenförmige /?C-Funktion mit ständig verringerter Treppenhöhe. Wenn das Signal während der Abtastzeit d nicht konstant ist, sondernrated. During the sampling time d , a current flows through the charging resistor R 1 which is determined by the voltage difference between the input voltage of the signal source U t> o and the current voltage on the storage capacitor Cl. During the hold time, ie when the switch S is open, the voltage level across the storage capacitor C1 remains constant. At the output of the operational amplifier O b5 serving as an impedance converter, there is a step-shaped /? C function with a constantly decreasing step height. If the signal is not constant during sampling time d, but rather
z. B. linear ansteigt, entsteht am Speicherkondensator Cl nach der Einschwingzeit der Abtastschaltung der Spannungsmittelwert des Pegelverlaufes während dieser Abtastzeit d z. B. increases linearly, arises at the storage capacitor Cl after the settling time of the sampling circuit, the voltage mean value of the level curve during this sampling time d
Die Dimensionierung des Filters erfolgt in bekannter Weise. Bei gegebener Einschwingzeit (beispielsweise der Forderung, daß in 10 Sekunden 99,5% des Meßwertsprunges erreicht sein müssen) und bekannten Eigenschaften der Signalspannungsquelle U (Stromergiebigkeit, maximaler Spannungshub, Periodendauer, Innenwiderstand) sowie gegebenem Eingangsstrom des Operationsverstärkers O und festgelegter Abtastzeit d können damit die beiden Elemente R 1 und C1 dieses Filters berechnet werden. Der Operationsverstärker sollte einen möglichst hochohmigen Eingangswiderstand und einen möglichst niederohmigen Ausgangswiderstand besitzen und ist daher vorzugsweise gegengekoppelt. Der Widerstand R1 ist in dem dargestellten Beispiel vor dem Schalter S angeordnet, was unter gewissen Umständen vorteilhafter sein kann als die Anordnung nach dem Schalter.The filter is dimensioned in a known manner. With a given settling time (for example the requirement that 99.5% of the measured value jump must be reached in 10 seconds) and known properties of the signal voltage source U (current yield, maximum voltage swing, period duration, internal resistance) as well as the given input current of the operational amplifier O and a defined sampling time d can be used the two elements R 1 and C 1 of this filter are calculated. The operational amplifier should have an input resistance that is as high as possible and an output resistance that is as low as possible and is therefore preferably fed back. In the example shown, the resistor R 1 is arranged in front of the switch S , which under certain circumstances can be more advantageous than the arrangement after the switch.
Die Filterwirkung der Schaltung nach Fig.3 ist jedoch noch ment optimal. Nach der Erfindung soll die Schaltung daher gemäß F i g. 4 und 5 zu einem aktiven Filter zweiter oder höherer Ordnung ergänzt werden.The filter effect of the circuit according to Fig.3 is but still ment optimal. According to the invention, the circuit according to FIG. 4 and 5 become an active one Filters of the second or higher order can be added.
F i g. 4 zeigt, wie der Operationsverstärker O durch die /?C-Kombination RMCX sowie RlICl zu einem aktiven Filter zweiter Ordnung ergänzt werden kann. Der eine Widerstand R 1 der Widerstands-Reihenschaltung ist dabei wiederum in Serie zum elektronischen Schalter S angeordnet. Sofern die Abtastbreite d <R\ ■ C\ ist, wird das Eingangssignal wiederum mit dem Spaltfrequenzgang sin (π fd)/(n fd) bewertet. Da das Filter zweiter Ordnung bei gleicher Einschwingzeit auf z. B. 99,5% v. E. oberhalb der 3-dB-Grenzfrequenz einen steileren Frequenzgangabfall aufweist, wird damit gegenüber einer Schaltung nach Fig.3 eine Verbesserung der Störbefreiung um etwa 4 dB erreicht. Bei der Berechnung des Einschwingvorganges dieses Filters zweiter Ordnung ist zu berücksichtigen, daß der Widerstand R 1 nur während der Abtastzeil angeschlossen ist. In diesem Zeitbereich fließt ein Strom in den Kondensator Cl, dessen Mittelwert durch den Widerstand R 1 und der mittleren Spannungsdifferenz über diesem Widerstand R1 bestimmt wird. In der Haltephase, d. h. bei offenem Schalter 5 gleicht sich dii in dem Kondensator Cl gespeicherte Ladung über den Widerstand R 2 mit der im Kondensator C2 gespeicherten Ladung teilweise aus. Dabei folgt die Spannung an C2 erst mit einer zusätzlichen Verzögerung. Durch die Rückkopplung vom Ausgang des vorzugsweise gegengekoppelten Operationsverstärkers über Cl kann der Verlauf der Einschwingfunktion an C2 und damit auch am Ausgang A beeinflußt werden. Die Berechnung dieses Filters nach Fig.4 kann nach grundsätzlich bekannten Verfahren erfolgen, wobei zu berücksichtigen ist, daß der Widerstand R1 nur zeitweise angeschlossen ist. Die Berechnung kann beispielsweise mit einem Iterationsverfahren durchgeführt werden, in dem die Spannungen und Ströme an den einzelnen Bauelementen sowie deren Änderungen schrittweise in den Abtast- und Haltephasen über einen kompletten Einschwingvorgang berechnet werden. Dabei ist es zweckmäßig, diese Berechnungen in ein Optimierungsprogramm einzubeziehen, in welchem die Dimensionierung der Filterelemente unter Berücksichtigung der Abtastzeit d, der Abtastperiode Tp, der zulässigen Restabweichune nach Ablauf der voreeeebenen Ein-F i g. 4 shows how the operational amplifier O can be supplemented by the /? C combination RMCX and RlICl to form an active second-order filter. The one resistor R 1 of the resistor series circuit is in turn arranged in series with the electronic switch S. If the scanning width is d <R \ ■ C \ , the input signal is again weighted with the slit frequency response sin (π fd) / (n fd) . Since the second order filter is set to z. B. 99.5% v. E. If the frequency response drops more steeply above the 3 dB cutoff frequency, an improvement in the elimination of interference by approximately 4 dB is achieved compared with a circuit according to FIG. When calculating the transient response of this second-order filter, it must be taken into account that the resistor R 1 is only connected during the scanning line. In this time range, a current flows into the capacitor Cl, the mean value of which is determined by the resistor R 1 and the mean voltage difference across this resistor R 1. In the holding phase, that is to say when the switch 5 is open, the charge stored in the capacitor Cl is partially compensated for via the resistor R 2 with the charge stored in the capacitor C2. The voltage at C2 only follows with an additional delay. Due to the feedback from the output of the operational amplifier, which is preferably fed back, via C1, the course of the transient function at C2 and thus also at output A can be influenced. The calculation of this filter according to FIG. 4 can be carried out according to methods known in principle, whereby it must be taken into account that the resistor R 1 is only connected at times. The calculation can be carried out, for example, with an iteration method in which the voltages and currents at the individual components and their changes are calculated step by step in the sample and hold phases over a complete transient process. It is useful to include these calculations in an optimization program in which the dimensioning of the filter elements, taking into account the sampling time d, the sampling period Tp, the permissible residual deviations after the expiry of the pre-level input
schwingzeit bei freier Wahl eines Bauelementes ermittelt wird.oscillation time is determined with a free choice of a component.
F i g. 5 zeigt die Ergänzung zu einem Filter dritter Ordnung, wobei der Widerstand R 1 der Filterelemente wieder in Serie zum Schalter 5 angeordnet ist. Die Schaltung nach F i g. 5 kann als Kombination der Schaltungen nach den F i g. 3 und 4 aufgefaßt werden. Auch hier ist wieder der Vorteil des durch die definierte Abtastbreite d gegebenen Spaltfrequenzganges (Unterdrückung hochfrequenter Stör- und/oder Signalkomponenten des Eingangssignals) mit der verbesserten Störspannungsunterdrückung durch das nachgeschaltete aktive Filter vereinigt. Durch dieses Filter dritter Ordnung kann die Streubreite des Meßwertes gegenüber der Schaltung nach F i g. 3 bei gleicher Störgröße und bei gleicher Einschwingzeit auf 99,5% v. E. etwa um 6 dB verringert werden.F i g. 5 shows the addition to a third-order filter, the resistor R 1 of the filter elements again being arranged in series with the switch 5. The circuit according to FIG. 5 can be used as a combination of the circuits according to FIGS. 3 and 4 are understood. Here, too, the advantage of the slit frequency response given by the defined scanning width d (suppression of high-frequency interference and / or signal components of the input signal) is combined with the improved interference voltage suppression by the downstream active filter. This third-order filter allows the spread of the measured value compared to the circuit according to FIG. 3 with the same disturbance variable and with the same settling time to 99.5% f.s. E. can be reduced by about 6 dB.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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DE2441192A1 DE2441192A1 (en) | 1976-03-11 |
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DE19742441192 Expired DE2441192C2 (en) | 1974-08-28 | 1974-08-28 | Sample and hold circuit for determining the voltage value contained in a periodic signal |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE4236947A1 (en) * | 1992-11-02 | 1994-05-05 | Krohne Messtechnik Kg | Sample=and=hold circuit with low pass filter - has additional switching element integrated in filter for which output voltage is constant when open and equal to last value when closed |
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1974
- 1974-08-28 DE DE19742441192 patent/DE2441192C2/en not_active Expired
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