LEZIONI on LINE n° 6

Elettronica

Circuito di Sample & Hold

Per gli alunni della classe 5° di elettronica Istituto Tecnico

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Prerequisiti:

1. simbologia ed utilizzo degli Schemi a Blocchi (SB);
2. rappresentazione dei segnali elettrici
3. lettura dei data sheet

Ricordiamo la struttura di un generico sistema di acquisizione dei dati:

• elaboratore
• trasduttori
• attuatori

Da questo schema possiamo passare ad analizzarne un secondo dove mettiamo in evidenza per i segnali di tipo analogico il blocco di Sample & Hold (S & H ) – Campiona e Mantieni.

Teorema del Campionamento

Qualunque segnale limitato in banda (valore massimo W) è esattamente rappresentato dai suoi valori osservati ad intervalli temporali regolari tn  = nTc, con n intero e periodo di campionamento Tc  ≤ 1/(2*W); da questi è quindi possibile risalire ai suoi valori per qualunque altro istante.

S & H

Il circuito del sample and hold è un campionatore utilizzato come interfaccia tra un segnale analogico che varia velocemente nel tempo e il circuito successivo, che spesso è un convertitore analogico digitale (ADC, analog to digital converter). Lo scopo di questo circuito è di mantenere il valore analogico in ingresso costante per il tempo necessario al convertitore o ad altri circuiti in uscita per gestire correttamente il segnale.

Quasi sempre in questo circuito si utilizza un condensatore a bassa capacità C che mantiene la tensione analogica presentata per un piccolo periodo in ingresso, un interruttore (costituito solitamente da un MOSFET poiché presenta una piccola resistenza di ingresso), permette questa rapida connessione o disconnessione con l’ingresso.

Il gate del transistor è pilotato da un segnale impulsivo che permette al source del MOSFET di raggiungere, in modo pressoché istantaneo, la tensione in ingresso.

Quando l’interruttore si chiude il condensatore non si scarica “memorizzando” così il segnale di ingresso. Ripetendo tale procedura più volte, si ottiene in uscita una rappresentazione a scalino della tensione campionata in ingresso.

La frequenza con cui l’interruttore viene aperto o chiuso è la frequenza di campionamento del sistema. È essenziale che la capacità abbia poche perdite, così da mantenere costante la tensione di ingresso, e che non abbia carico, cioè abbia una grande impedenza di ingresso.

Grafico delle tensioni in un circuito S&H, nell’esempio di un ingresso sinusoidale.

Viene calcolato il periodo necessario per rispettare il teorema del campionamento; vengono presi i campioni (il valore del segnale in quell’istante) e questo valore viene mantenuto per tutto il periodo.

Questo circuito è usato, ad esempio, nell’ADC ad approssimazioni successive dove l’ingresso viene comparato con una tensioni di riferimento fissa per tutto il tempo che serve a trovare il valore finale. Nel caso che l’ADC fosse collegato direttamente al segnale da convertire, senza un circuito S&H che ne mantenga il valore, l’ingresso potrebbe variare durante il processo di comparazione, portando ad una conversione inaccurata o completamente errata.

Esempio n° 1 – integrato AD582:

l’integrato AD582 e’ un integrato che contiene il circuito S&Hsensore di distanza ad ultrasuoni con buone prestazio ni ad un costo contenuto.

Piedinatura del circuito:

le connessioni esterne per l’utilizzo del circuito sono:

Esempio n° 2 – integrato HV257:

l’integrato HV257 e’ un integrato che contiene una matrice di 32 S&H con ingressi ad alta tensione utilizzato come driver per trasduttori piezoelettrici.

Piedinatura del circuito:

Schema circuitale interno:

Timing dei segnali:

CONCLUSIONI:

Il circuito del S&H, utilizzando il teorema del campionamento, ci permette di gestire in modo efficiente il segnale variabile nel tempo in ingresso del sistema e che vogliamo gestire. Particolare attenzione va posta alla gestione dei segnali di controllo.

Roma 28 aprile 2020

Il docente

LERTERI C. Francesco

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