DE4236947C2 - Abtast-Halte-Schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtast-Halte-Schaltung mit mindestens einem elektronischen Filter zur relativen Verminderung von Störeinflüssen in einer von der Abtast-Halte-Schaltung abgegebenen Ausgangsspannung bezogen auf eine Eingangsspannung der Abtast-Halte-Schaltung. Eine solche Abtast-Halte-Schaltung ist beispielsweise aus der DE - C2 24 41 192 bekannt.

Abtast-Halte-Glieder, hier als Elemente der Abtast-Halte-Schaltung, werden in der Literatur seit langem umfangreich behandelt, vgl. U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 7. überarbeitete Auflage, Springer- Verlag, 1985, Abschnitt 23.4, Seiten 733 bis 738; sie sind in großer Typen­ vielfalt als integrierte Bauelemente erhältlich. Das zentrale Bauelement jedes Abtast-Halte-Gliedes ist ein Kondensator, der die Speicherfunktion übernimmt. Diesem Kondensator wird üblicherweise ein Spannungsfolger nach­ geschaltet, der die Belastungen vom Kondensator fernhält. Statt dieser ersten Möglichkeit kann man auch einen Umkehrintegrator als Analogspeicher verwenden. Den bekannten Abtast-Halte-Gliedern ist gemeinsam, daß sie zu­ sätzlich als Tiefpaßfilter wirken. Abtast-Halte-Glieder erfüllen in Meß­ werterfassungssystemen z. B. die Aufgabe, den Wert eines einzelnen Signals zu einem genauen Zeitpunkt zu bestimmen und gleichzeitig hochfrequente Störeinflüsse zu filtern.

Wie bereits ausgeführt, werden Abtast-Halte-Glieder in Meßwerterfassungs­ systemen verwendet. In der Meßtechnik treten nun sehr häufig steile Span­ nungsflanken auf. Um zu vermeiden, daß diese aufgrund von Phasenverzögerung im Tiefpaßfilter Einfluß auf das nachfolgende Meßsignal ausüben, wird die Eckfrequenz des Tiefpaßfilters sehr hoch gewählt. Daraus entsteht der Nach­ teil, daß alle Rauschanteile des Rauschspektrums bis zu der Eckfrequenz des Tiefpaßfilters am Ausgang des Abtast-Halte-Gliedes anliegen. Durch die er­ zwungene hohe Bandbreite und 1/f-Rauschen der Schaltung ist der Dynamik­ bereich des Ausgangssignals allein aufgrund der Dynamik des Rauschens sehr weit. Zudem muß aufgrund des Shannon-Theorems eine hohe Abtastrate gewählt werden, um Rauschspiegelspektren zu vermeiden. Beides stellt, in bezug auf die Geschwindigkeit als auch den dynamischen Bereich hohe Anforderungen an die nachfolgende Signalverarbeitung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtast-Halte-Schaltung der eingangs genannten Art mit verbesserter Unempfindlichkeit gegenüber Stör­ anteilen in den abzutastenden Signalen zu schaffen.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist dadurch gelöst, daß das elektronische Filter als RC-Bandpaßfilter ausgebildet ist, daß in Serie zu Widerständen des RC-Bandpaßfilters Schaltelemente derart angeordnet sind, daß bei geöffneten Schaltelementen die Ausgangsspannung konstant und gleich dem letzten Wert bei geschlossenen Schaltelementen ist und dabei die Spannungen an den energiespeichernden Elementen des RC- Bandpaßfilters unverändert bleiben, und die Schaltelemente von einem Steuerkreis durch Steuersignale betätigbar sind.

Hiermit ist ein Abtast-Halte-Glied beschrie­ ben, welches als Bandpaßfilter wirkt. Erfindungsgemäß wird das Durchgreifen des Rauschspektrums auf den Ausgang des Abtast-Halte-Gliedes bis auf einen bestimmten Frequenzbereich - den Durchlaßbereich - vermieden. Hierdurch werden die Anforderungen an die nachfolgende Signalverarbeitung erheblich verringert, wobei nur ein minimaler Schaltungsaufwand erforderlich ist.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der Erfin­ dung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf vier beispielhaft zeichnerisch dargestellte Ausführungsbeispiele. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in a.) bis d.) vier bekannte Ausbildungen eines Bandpaßfilters,

Fig. 2 in a.) bis d.), die von den jeweiligen Bandpaßfiltern abgeleite­ ten Abtast-Halte-Glieder.

Bei den in Fig. 1 dargestellten Bandpaßfiltern handelt es sich um solche 2. Ordnung, vgl. auch U. Tietze, Chi Schenck, Halbleiter-Schaltungstechnik 7., überarbeitete Auflage, Springer-Verlag 1985, Abschnitt 14.7, Seiten 417 bis 423. in Fig. 1a.) handelt es sich um einen Bandpaß mit Umkehrverstär­ ker. Fig. 1b.) zeigt ein Bandpaßfilter mit Mehrfachgegenkopplung. In Fig. 1c.) handelt es sich um ein Bandpaßfilter mit Einfachmitkopplung. Fig. 1 d.) zeigt schließlich ein Bandpaßfilter, bestehend aus Hoch- und Tiefpaßfilter 1. Ordnung mit einem abschließenden Impedanzwandler. Allen hier dargestellten Bandpaßfiltern gemeinsam sind ein Operationsverstärker 1, mehrere Kondensa­ toren 2 und mehrere Widerstände 3. Die in den Figuren dargestellte Auswahl der Bandpaßfilter stellt natürlich nur eine beispielhafte Sammlung einfacher Bandpaßfilter dar. Es würde den Rahmen der Beschreibung sprengen, sämtliche bekannte Varianten zu behandeln.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie zusätzliche Schaltelemente 4 in die bekann­ ten Bandpaßfilter integriert werden müssen, um die erwünschte Abtast-Halte- Funktion der Schaltung zu erlangen. Die Schaltelemente 4 sind so integriert, daß die energiespeichernden Bauelemente, aber die Kondensatoren 2, bei ge­ öffneten Schaltelementen 4 ihre letzten Werte nicht mehr verändern können.

Zur Betätigung der Schaltelemente 4 ist ein in den Figuren nicht dargestell­ ter Steuerkreis vorgesehen, welcher die logische Verknüpfung zwischen der Betätigung der Schaltelemente 4 und den besonderen Eigenschaften der Störein­ flüsse des Meßsignals herstellt.

Die besonderen Vorzüge des erfindungsgemäßen Abtast-Halte-Gliedes sollen nun anhand der Auswertung einer in der Meßtechnik sehr häufig anzutreffen­ den blockförmigen Signalspannung erläutert werden. Eine solche blockför­ mige Signalspannung weist regelmäßig beim Übergang zwischen den Zuständen unkontrollierte Störgrößen auf; zur Vermeidung von Einflüssen dieser tran­ sienten Störgrößen auf das Meßresultat ist es notwendig, die Meßwerterfas­ sung für den Zeitraum, in welchem die transienten Störgrößen auftreten, zu unterbrechen. Um den Zeitraum der Unterbrechung nicht unnötig zu verlängern, muß die Eckfrequenz des elektronischen Filters hoch angesetzt werden. Hier­ bei verhindert, wie beschrieben, das Bandpaßfilter den Nachteil einer hohen Bandbreite. Um weiterhin eine kontinuierliche Meßwertaufnahme zu gestatten, ist es erwünscht, daß der letzte Meßwert gespeichert wird; dies wird durch die ebenfalls beschriebene Abtast-Halte-Funktion gewährleistet.

Im vorliegenden Fall betätigt also der Steuerkreis die Schaltelemente 4 syn­ chron zu den transienten Störeinflüssen. Treten die Störeinflüsse perio­ disch auf, so ist es sinnvoll, den Steuerkreis als Phasenregelkreis auszu­ bilden, so daß die Betätigung der Schaltelemente 4 synchron und mit fester Phasenbeziehung zum Störeinfluß erfolgen kann.

Da es denkbar ist, daß eine Störfrequenz im Durchlaßbereich des als Abtast- Halte-Gliedes ausgebildeten Bandpaßfilters liegt, kann es sinnvoll sein, zwei Abtast-Halte-Glieder der erfindungsgemäßen Art hintereinander anzuord­ nen.

Weiterhin ist denkbar, daß mehrere Störeinflüsse unterschiedlicher Herkunft dem Meßsignal überlagert sind. Um eine getrennte Behandlung dieser Störein­ flüsse zu ermöglichen, ist es notwendig, eine entsprechende Anzahl von Ab­ tast-Halte-Gliedern parallel zu schalten, so daß eine getrennte Abstimmung möglich ist. Das Ergebnis des Meßwerterfassungssystems wird dann ab­ schließend von einem Addierer gebildet, welcher die Ausgangssignale der pa­ rallelgeschalteten erfindungsgemäßen Abtast-Halte-Glieder summiert. Je nach Art der verschiedenen Störeinflüsse kann es sinnvoll sein, die Durchlaß­ frequenzen der parallelgeschalteten Bandpaßfilter unterschiedlich oder identisch zu wählen.

Zur Gewährleistung der entsprechenden Ansteuerung der Schaltelemente 4 ist es erforderlich, den Steuerkreis so auszubilden, daß die Schaltelemente 4 unabhängig voneinander für bestimmte Zeiträume geschlossen werden können, zum Beispiel dergestalt, daß die parallelgeschalteten Abtast-Halte-Glieder aufeinander abfolgend für bestimmte Zeiträume geschlossen werden können. Dabei soll es außerdem möglich sein, die Zeiträume, in welchen die Schalt­ elemente 4 geschlossen sind, gleich groß oder unterschiedlich groß zu wählen. Dies ist insbesondere notwendig, um die optimale Anstiegszeit der Abtast-Halte- Glieder zu gewährleisten.

Entscheiden für die Eliminierung eines Störeinflusses aus der Eingangs­ spannung ist die Abstimmung des Durchlaßbereiches des Bandpaßfilters auf die Natur des Störeinflusses. Handelt es sich um einen hochfrequenten Stör­ einfluß, so ist es naheliegend, den Durchlaßbereich des Bandpaßfilters deutlich unterhalb der Störfrequenz anzulegen. Im Bereich mittlerer Fre­ quenzen kann man den Störeinfluß dadurch eliminieren, daß die Schaltele­ mente 4 von einem Phasenregelkreis - wie bereits erwähnt - synchron zu dem Störeinfluß betätigt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, die Durchlaßfre­ quenz des Bandpaßfilters übereinstimmend mit der Frequenz des Störeinflusses zu wählen. Der letzte Fall der niedrigen Frequenzen wird geeignet dadurch behandelt, daß die Durchlaßfrequenz des Bandpaßfilters weit oberhalb der Störfrequenz angesiedelt wird.

Insbesondere ist es zur Bildung des korrekten Meßsignals erforderlich, den Zeitraum, in welchem das Meßsignal an dem Eingang des Abtast-Halte-Gliedes anliegt, auf die Durchlaßfrequenz des Bandpaßfilters abzustimmen, um so eine möglichst rasche Anpassung des Ausgangssignals des Abtast-Halte-Glie­ des an das Eingangssignal zu gewährleisten. Zu diesem Zweck kann man die Schaltung rechnergeschützt simulieren, wobei man durch Abstimmung der Para­ meter das optimale Ergebnis ermittelt. Weiter ist es möglich, das Verhalten der Schaltung experimentell zu bestimmen. Insbesondere ist es aber sinnvoll, den Spektralanteil der im Durchlaßbereich des Bandpaßfilters liegenden Fre­ quenzen in einer Fourier-Analyse des geschalteten Eingangssignals möglichst hoch zu wählen. Die zu diesem Zweck zur Verfügung stehenden Parameter des Meßsignals sind die Zeiträume, in welchen die Schaltelemente geschlossen bzw. geöffnet sind. Durch Veränderung dieser Zeiträume kann das Fourier­ spektrum des geschalteten Eingangssignals variiert werden.

Claims (8)

1. Abtast-Halte-Schaltung mit mindestens einem elektronischen Filter zur relativen Verminderung von Störeinflüssen in einer von der Abtast-Halte-Schaltung abgegebenen Ausgangsspannung bezogen auf eine Eingangsspannung der Abtast-Halte-Schaltung, d. g.

• - daß das elektronische Filter als RC-Bandpaßfilter ausgebildet ist,
• - daß in Serie zu Widerständen des RC-Bandpaßfilters Schaltelemente derart angeordnet sind, daß bei geöffneten Schaltelementen
• - die Ausgangsspannung konstant und gleich dem letzten Wert bei geschlossenen Schaltelementen ist und
• - die Spannungen an den energiespeichernden Elementen des RC- Bandpaßfilters unverändert bleiben, und
• - die Schaltelemente von einem Steuerkreis durch Steuersignale betätigbar sind.

2. Abtast-Halte-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale synchron zu Störeinflüssen aus lösbar sind.

3. Abtast-Halte-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis als Phasenregelkreis so ausgebildet ist, daß die Schaltelemente (4) synchron zu einem periodischen Störeinfluß betätigbar ist.

4. Abtaste-Halte-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei RC-Bandpaßfilter hintereinander geschaltet sind.

5. Abtast-Halte-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei, allgemein N, RC-Bandpaßfilter parallelgeschaltet sind.

6. Abtast-Halte-Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Addierer so angeordnet ist, daß die N Ausgangssignale summierbar sind.

7. Abtast-Halte-Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerkreis so ausgebildet ist, daß die jeweiligen Schalt­ elemente (4) unabhängig voneinander für bestimmte Zeiträume geschlossen sind.

8. Abtast-Halte-Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerkreis so ausgebildet ist, daß die N jeweiligen Schalt­ elemente (4) aufeinander folgend für bestimmte Zeiträume geschlossen sind.