3. SAMPLE AND HOLD (S/H)

3. SAMPLE AND HOLD (S/H)
Nella catena di acquisizione dati, il convertitore A/D ha il compito di convertire il segnale analogico
presente al suo ingresso in un segnale digitale a N bit, prima che esso venga inviato al microprocessore per il
controllo e l’elaborazione. Si parla in questo caso di convertitori a 8, 12 e 16 bit. Oltre al segnale analogico,
in ingresso al convertitore A/D viene applicata una tensione continua e stabile detta “tensione di
riferimento” che individua il massimo valore della tensione di ingresso che il convertitore è in grado di
convertire. Questa tensione viene anche indicata come “tensione di fondo scala” e generalmente corrisponde
a un valore di 10 Volt .
Bit
ADC
111
Vi = Ingresso analogico
110
101
Uscita Digitale
100
VRIF
011
BLOCCO FUNZIONALE DELL’ADC
010
001
000
0
Q
2Q
3Q
4Q
5Q
6Q
7Q Vi
CARATTERISTICA DELL’ADC
Q=
VRIF
2n
Un convertitore A/D , necessita per la conversione di un tempo detto “tempo di conversione” che tiene
conto dell’inerzia dei componenti del circuito e dei tempi di commutazione del segnale di uscita in bit.
Poiché il segnale prelevato all’uscita del circuito di condizionamento è variabile anche se lentamente, è
necessario inserire tra l’uscita del circuito di condizionamento e l’ingresso dell’ADC, un circuito detto “
Sample And Hold ” la cui funzione è quella di memorizzare con una certa frequenza fSH detta “ frequenza di
campionamento ” il valore del segnale d’ingresso acquisito in un certo istante e mantenerlo costante
all’ingresso dell’ADC per tutto il tempo necessario alla conversione.
Se indichiamo con tC il tempo di conversione dell’ADC, si dimostra che nel caso in cui il segnale di
ingresso varia molto lentamente, per cui non è richiesto l’utilizzo del S/H, la massima frequenza che il
segnale di ingresso deve avere perché il convertitore effettui correttamente la conversione è :
fMAX =
1
2 π tc
n
nel caso in cui si desideri per il convertitore un’accuratezza di 1 LSB = Q (quanto) =
VRIF
2n
Lo schema elettrico del S/H è il seguente :
_
_
+
+
Vi
S/H
Vo
Esso è costituito da due buffer dei quali il primo funge anche da isolatore. Tra i due circuiti è inserito un
interruttore analogico comandato da un clock (multivibratore astabile) e un condensatore elettrolitico che
viene mantenuto carico quando viene aperto l’interruttore consentendo al secondo buffer di fornire il valore
di tensione corrispondente alla tensione presente in un certo istante ai capi delle sue armature. Ogni volta
che l’interruttore viene chiuso, il condensatore si carica al valore corrispondente della tensione di ingresso
mantenendo la sua carica costante per tutto il periodo di tempo in cui l’interruttore è aperto. Seguendo
questa sequenza ciclica di apertura e di chiusura che si ripete alla frequenza di campionamento fSH , il
segnale in ingresso al convertitore A/D assumerà un andamento discreto (a gradini) e ciò consentirà all’ADC
di operare l’esatta conversione relativamente a ciascun campione di bit. Ovviamente maggiore è il numero di
bit, maggiore è l’approssimazione del segnale discreto a quello continuo.
Da tener presente infine che la frequenza di campionamento fSH non può essere eccessivamente elevata
altrimenti il convertitore non avrebbe il tempo per effettuare la conversione di ogni campione . Ciò che
condiziona prevalentemente il tempo di campionamento tSH = 1/fSH è il tempo di apertura ta ossia il tempo
richiesto all’interruttore analogico per aprirsi completamente dopo che è stato dato il comando di HOLD
(mantenimento) : tSH ≈ ta Ed è proprio questa grandezza dell’ordine dei nanosecondi che determina il
massimo valore della frequenza convertibile dall’ ADC in presenza del S/H :
fMAX ≤
1
2 π ta
n
D’altra parte affinchè il segnale di ingresso venga ricostruito correttamente nel sistema di distribuzione dal
convertitore D/A, la frequenza massima del segnale di ingresso deve rispondere al “Teorema di Shannon” il
quale afferma che la frequenza di campionamento imposta dal S/H , deve essere maggiore o uguale al
doppio della massima frequenza del segnale di ingresso : fSH ≥ 2 f MAX .