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Analoge Grundschaltungen

Sample and Hold

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Eine Sample and Hold- (auch Sample & Hold- oder S&H-) Schaltung ist eine analoge Schaltung, die man als Momentanwertabtastung beschreiben kann. Sie erfasst Momentanwerte von sich ändernden analogen Signalen und speichert diese mit gleichem Pegel für eine vorgegebene Mindestzeit.
Sample & Hold-Schaltungen finden Anwendung als Eingangsstufe vor Analog-Digitalwandlern (ADCs), in Regelkreisen (Servos) und in der LCD-Technologie.

2. Funktionsweise

Ein Impedanzwandler entkoppelt das Eingangssignal von der Signalquelle. An seinem Ausgang steht das Eingangssignal mit gleicher Amplitude sehr niederohmig zur Verfügung. Ein schneller, ebenfalls sehr niederohmiger, Schalter (S) wird einer Flanke des Clocksignals geschlossen. Der Speicherkondensator CH lädt sich auf die momentane Eingangsspannung auf. Der Schalter öffnet sich wieder. Da die Eingangsimpedanz der Bufferschaltung (Spannungsfolger) sehr hoch ist, kann sich CH nicht entladen und der Messwert bleibt bis zum nächsten Samplevorgang am Ausgang der Bufferstufe konstant erhalten. Diese Zeit kann z.B. genutzt werden um den Wert korrekt von einem Analog-Digitalwandler zu erfassen

Abb. 1: Funktionsprinzip einer analogen Sample & Hold-Schaltung

Wie genau der Momentanwert der Eingangsspannung erfasst werden kann hängt von mehreren Faktoren ab. Die wichtigsten sind die Komponenten selber. Um exakte Messergebnisse zu erhalten, muss der Schalter extrem schnell und niederohmig sein, da es einen Spannungsabfall über den Innenwiderstand des Schalters zu vermeiden gilt. Ein Spannungsabfall würde eine Differenz zwischen der tatsächlichen Eingangsspannung und der gemessenen Spannung bilden und den Messwert verfälschen. In der Praxis werden daher zumeist Feldeffekttransistoren (FETs) als Schalter eingesetzt.
Eine weitere Fehlerquelle kann das Dielektrikum des Speicherkondensators bilden. Leckströme während der Holdphase können den Kondensator entladen. Bei diskret aufgebauten Schaltungen werden daher vorzugsweise Folienkondensatoren mit z.B. Polystyrol ("Styroflex"), Teflon als Dielektrikum oder sogar Glimmerkondensatoren eingesetzt.

Die Genauigkeit mit der die Form des Eingangssignals erfasst werden kann, ist abhängig von der Samplefrequenz. Um eine Signalform korrekt zu erfassen muss nach dem Shannon-Abtast-Theorem die Abtastfrequenz mindestens halb so hoch sein wie die abzutastende Frequenz (Abb. 1 links).

Gibt man ein Rauschen als Eingangssignal auf eine Sample & Hold-Schaltung verhält sich die Ausgangsspannung absolut zufällig (Abb. 1 rechts).

3. Praktische Anwendung

Analoge Phasenregelung

Am Beispiel einer Phasenregelung für einen Motor soll hier eine praktische Anwendung einer Sample & Hold-Schaltung beschrieben werden.

Das Magnetfeld eines am Rotor des Motors befestigten Permanentmagnets erzeugt im nahe am Rotor befindlichen Lagesensor (meist ein Hall-Sensor) eine Änderung des Innenwiderstandes, was eine Spannungsänderung über den Sensor bewirkt. Dreht sich der Rotor, wird mit jeder Umdrehung ein Spannungsimpuls (a) erzeugt. Diese Impulse spiegeln die momentane Phasenlage wider.
Da sich bei einer ändernden Geschwindigkeit die Flankensteilheit und die Impulsbreite ebenfalls ändert, ist dies rohe Signal zu unpräzise und muss daher aufgearbeitet werden. Eine Schaltung, deren Hauptbestandteil ein monostabiler Multivibrator ist, wandelt die analogen Eingangsimpulse in präzise rechteckige Impulse mit einer konstanten Dauer um (b).

Abb. 2: Eine Sample & Holdschaltung in der Phasenregelung eines Motors

Die positive Flanke des umgewandelten Phasensignals startet einen Sägezahngenerator (c). Dessen Frequenz, bzw. Periodendauer, entspricht in etwa der Dauer einer Umdrehung des Motors. Die Phasenlage des Sägezahns verschiebt sich somit mit Phasenlage des Motors.

Der Sägezahn ist das Eingangssignal für die Sample & Hold-Schaltung. Ein Referenzsignal (d), z.B. aus einer Zeitbasis, löst den Sample & Hold-Vorgang aus und misst die momentane Spannung des Sägezahns. Speicherkondensator CH wird auf den Messwert aufgeladen. Die über den Speicherkondensator CH stehende Fehlerspannung (e) gelangt dann zum Motortreiber und wird auf die Geschwindigkeitssteuerspannung addiert (f).
Ändert sich die Phasenlage des Motors, verschiebt sich der Sägezahn entsprechend gegenüber den Referenzimpulsen und der gespeicherte Messwert ändert sich mit.

Digitale Phasenregelung

Das oben beschriebene Prinzip einer analogen Phasenregelung eines Motors kann auch digital nachempfunden werden. Die in Analogservos eingesetzten monostabilen Multivibratoren mit ihren zeitbestimmenden Zeitgliedern aus Widerständen und Kondensatoren sind in ihrem digitalen Pendant durch Frequenzteiler und Zähler ersetzt worden. Der Speicherkondensator CH wird durch ein Latch (Auffangregister) als Speicher für den Momentanwert der Phasenlage ersetzt.

Wie bei der analogen Phasenregelung werden folgende Signale verwendet:

  • Das Vergleichssignal ist das Ist-Signal, das die momentane Phasenlage widerspiegelt. Es kommt vom Lagengeber am Motor.
  • Ein Referenzsignal, das die Soll-Phasenlage vorgibt. Es kann z.B. aus einer präzisen Zeitbasis stammen.
  • Ein Clocksignal zur Synchronisation der internen Logik und als bekannte Zeitbasis.

Die negative Flanke des Vergleichssignals startet einen 10-Bit-Zähler (Rampenzähler). Dieser Zähler zählt von 0 bis 1023. An seinen zehn Ausgängen steht der jeweilige Zählerstand in binärer Form. Hat der Zähler seinen Höchststand (alle Ausgänge auf H-Pegel), hält er an und wartet auf die nächste negative Flanke des Vergleichssignals um wieder bei 0 zu starten. Während des Zählvorgangs trifft das Referenzsignal ein. Ist kein Phasenfehler vorhanden, sollte der Zähler den Stand 512 an seinen Ausgängen aufzeigen.

Mit dem Eintreffen des Referenzsignales wird der momentane Zählerstand in ein 10 Bit-Latch übernommen. Der Inhalt des Latches kann über separate Leitungen ausgelesen werden.

Abb. 3: Digitaler Phasenvergleich

Ein weiterer Zähler, der PWM- (Pulsweiten-) Zähler, zählt freilaufend, d.h. ohne zusätzlichen Reset-Impuls, ständig von 0 bis 511. Jedes Mal wenn Null erreicht wird, erzeugt der Zähler ein Signal, das ein RS-Flip-Flop setzt. Der Ausgang Q geht von L nach H.
Wie beim Rampenzähler ist auch beim PWM-Zähler der Zählerstand von außen lesbar.
Ein 10 Bit-Koinzidenzdetektor vergleicht nun ständig den Inhalt des Latches mit dem Stand des PWM Zählers. Bei Gleichstand erzeugt der Detektor ein Signal, das das Flip-Flop zurücksetzt. Ausgang Q geht von H nach L.
Je später also das Referenzsignal eintrifft, desto länger zeigt der Ausgang Q einen H-Pegel. Ein aktives Tiefpass-Filter integriert diese Pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung zu einer mittleren Gleichspannung VPhase, die dem Phasenfehler entspricht.

 

 

 

Zuletzt geändert am 18. Sept. 2017

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