TEMA 6: CIRCUITOS DE MUESTREO Y RETENCIÓN 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 retención.

Cuando se encuentra en muestreo (modo SAMPLE S/H=1), la señal de salida sigue a la señal de entrada. Por el contrario, si se encuentra en retención (modo HOLD S/H=0), la salida se mantiene constante en el tiempo e igual al valor de la salida que ésta tuviera en el instante en que se conmutó de muestreo a retención. Este circuito se podría interpretar como una memoria analógica. En SAMPLE está memorizando la señal de entrada, mientras que en HOLD la recuerda y la mantiene en el tiempo. Su principal finalidad consiste en mantener constante la señal que se quiere convertir con un convertidor A/D. Por tanto, en sistemas de adquisición de datos se colocaría justo delante del convertidor A/D.

No siempre es necesario colocar un SAMPLE/HOLD delante del convertidor. Eso dependerá del tiempo de conversión del convertidor y sobre todo del tipo de señal a convertir, ya que existen señales rápidas (señales acústicas, por ejemplo) y señales que varían muy lentamente en el tiempo (como puede ser, temperatura) que no requieren un SAMPLE/HOLD ya que de por sí son bastantes constantes durante el tiempo de conversión del A/D. Existen casos en los J.I.Escudero, M.Parada, F.Simón

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que la tecnología del convertidor no hace necesario el uso del SAMPLE/HOLD incluso con señales rápidas, son aquellos que se basan en tecnología de integración, cuya salida es un promedio del valor de la señal de entrada durante ese intervalo de tiempo. El SAMPLE/HOLD puede estar colocado en otro sitio diferente de nuestro sistema de adquisición 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 después podamos emplear algo más de tiempo en procesarlas. En ese caso la estructura secuencial en el tiempo que antes vimos no sería la adecuada, ya que los valores de las medidas se habrían tomado en tiempos diferentes. Ahora debemos colocar n cadenas de adquisición de datos, lo cual resulta caro, o bien montamos la estructura siguiente:

en donde ahora se muestrean todas las señales a la vez, pasando todos los SAMPLE/HOLD a retención al mismo tiempo, de manera que se dispondrá de las medidas simultáneas. Tras esa toma de medidas se podrá 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 posición de muestreo de nuevo. Hay que resaltar también que en esta estructura no hace falta colocar un SAMPLE/HOLD delante del convertidor A/D, ya que las señales que llegan a éste ya se encuentran estabilizadas.

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Hasta ahora hemos visto qué es y cómo funciona un SAMPLE/HOLD desde un punto de vista ideal. Vamos, ahora, a ver cómo está hecho y cómo se comporta como elemento real de un circuito. Su estructura interna es fácil de comprender que estaría formada por un condensador, que almacena la tensión existente y un interruptor.

La señal 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 sería:

1. Se cierra el interruptor (muestreo). Desde el punto de vista real tendríamos una resistencia RON muy pequeña, pero no cero, en el lugar del interruptor, con lo cual la tensión en los extremos del condensador es prácticamente Vi, y por tanto el condensador se cargaría a esa tensión. 2. Se abre el interruptor (retención) y a la salida tendremos la tensión suministrada por el condensador. El tipo de condensador utilizado es muy importante si el proceso de muestreo es rápido, ya que la rapidez de carga del condensador dependerá de su constante de tiempo τ =RON.CH. Por tanto si τ debe ser pequeña ==> CH también (10-30 pF para alta velocidad). Sin embargo, si τ es pequeña el condensador también se descargará rápidamente, lo cual no resultará en general grave, ya que al ser un proceso rápido no le damos tiempo a la descarga, pero no obstante hay que tenerlo en cuenta.

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La tecnología también es importante: los condensadores electrolíticos no son utilizados en estos circuitos debido a que suelen tener capacidades altas. Por el contrario, los condensadores de policarbonato, teflón o poliester, son recomendables debido a las bajas pérdidas que tienen. Al circuito que teníamos hay que darle aún dos retoques importantes: hay que añadirle, tanto a la entrada como a la salida, un seguidor de tensión.

El seguidor de tensión 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 también es necesario ese seguidor de tensión para conseguir que la impedancia de la fuente de entrada sea cero y consigamos así que la constante de tiempo sólo dependa de RON y CH y, por tanto, que sea perfectamente conocida y pequeña. Con el interruptor cerrado, el condensador se carga con la tensión 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 5τ como el tiempo de carga. Pero si el error admitido es del 0'1% entonces hay que considerar 7τ. El segundo amplificador tiene como función el evitar que haya una salida de intensidad del condensador que permita que este se descargue cuando el interruptor esté abierto. Esto no es realmente así ya que el propio condensador tiene un efecto resistivo en paralelo y además algo de intensidad circula por el amplificador, al menos la intensidad de polarización.

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Por su parte, el primer amplificador sirve para que la constante de tiempo sea sólo RON. C. Si el amplificador no estuviese, habría que tener en cuenta en el cálculo de τ la impedancia de salida de la etapa anterior. En el seguidor de tensión esta impedancia es nula (realmente es del orden de decenas o alguna centena de ohmios) por lo que no influye en τ. Este sample & hold tiene en cualquier caso la desventaja de que la velocidad de carga del condensador disminuye exponencialmente según este se va cargando. Para aumentar esta velocidad de carga hay que pensar en algún 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 tensión de offset. En efecto, en ausencia de algún error, pasado un transitorio, en cualquier punto del circuito incluido Vo se tiene la tensión 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:

Vo

Cuando el interruptor esta cerrado (modo muestreo), Vo= Vi ya que V+=V-=Vi y además pasado el transitorio el condensador está cargado a la misma tensión Vi. Funciona, por tanto, correctamente. Pero cuando abrimos el interruptor (modo mantenimiento) el primer amplificador queda en lazo abierto con lo cual tendrá una saturación positiva o negativa dependiendo del valor de Vi. Si por ejemplo la alimentación de polarización del amplificador esta en ±15 V en salida tendremos unos ±12 V ya que en saturación un amplificador presenta unos 2 o 3 V menos en salida que la alimentación de polarización 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 J.I.Escudero, M.Parada, F.Simón

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entrada está 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 sí 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 será

¡Error!

•

Marcador

no M. MUESTREO

M. MANTENIMIENTO

SW1

Cerrado

Abierto

SW2

Abierto

Cerrado

SW3

Cerrado

Abierto

En modo de muestreo los interruptores están 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 está abierto por lo que en ningún caso hay circulación de intensidad.

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En modo de mantenimiento SW2 Cerrado para que haya realimentación en OP1 y sea un seguidor de tensión.

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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 señal S/H que en el caso de SW2 llevará un inversor. J.I.Escudero, M.Parada, F.Simón

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Otra solución es la que se muestra a continuación utilizando diodos de conmutación.

En modo de muestreo los diodos están en corte ya que si el interruptor está cerrado, Vi=V+=V- y en el punto A se tiene la tensión Vi y también en Vo y por tanto en C ya que es Vo= V-=V+=VC. Se tiene por tanto la misma tensión a ambos lados de los diodos con lo que estos se cortan. Además, y por la misma razón 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 él, el condensador está cargado y el circuito abierto. En modo mantenimiento se tiene que los diodos estaban abiertos y ahora al abrir el circuito se producirán 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 tensión Vo. Al tender el amplificador a saturación la Vo1 tiende a crecer o a disminuir. En el momento en que la Vo1 se separe de Vo una tensión VON el diodo correspondiente comienza a conducir y fija la tensión Vo1=Vo+VON. Es decir Si Vi>Vo el amp1 se satura positivamente y D2 ON Si Vi