Sample-and-Hold-Verstärker: wichtig für die Genauigkeit von digitalen Messsystemen

Sample-and-Hold-Verstärker: wichtig für die Genauigkeit von digitalen Messsystemen

Leserfrage: Wir beabsichtigen, für die Erfassung einiger Maschinendaten ein Messwerterfassungs- system aufzubauen. Nun kam die Frage auf, ob wir zusätzlich zu den analogen Messverstärkern noch einen Sample-and-Hold-Verstärker benötigen. Wenn ja, wozu ist dieses Bauteil nötig und worauf müssen wir bei der Anschaffung achten?

W. Böcker: Bei der Wandlung eines analogen Signals in eine digitale Information erfassen Sie zu definierten, diskreten Zeitpunkten das ana- loge Signal und übertragen es dann mit einem A/D-Wandler in eine digitale Information. Diese Wandlung dauert aber eine bestimmte Zeit, und genau während dieser Zeit kann sich der analoge Eingang schon wieder geändert haben.

Bei den gängigen Wandlungsverfahren könnte das zu Fehlern führen,
und aus diesem Grund wird das erfasste Signal (Sample) für die Zeit der Wandlung eingefroren (Hold). Bei einem solchen Sample-and-Hold-Verstärker (SH-Stufen, Abtast-Halte-Verstärker) kommt häufig eine Kondensatorstufe zum Einsatz.

Meist sind SH-Verstärker in den Wandler integriert. Sie müssen also in der Regel nicht wissen, welche Merkmale der Abtast-Halte-Verstärker auf- weist, denn sein Verhalten schlägt sich in der Messgenauigkeit des A/D- Wandlers nieder. Sollten Sie aber das System wirklich aus einzelnen Komponenten aufbauen wollen, achten Sie bitte auf folgende Merkmale:

Anstiegsgeschwindigkeit: Der Kondensator lässt sich nicht beliebig schnell aufladen. Steigt das Eingangssignal schneller als die Spannung am Kondensator, kommt es zu einem Fehler.

Einstellzeit: Bei jedem Ladevorgang kommt es zum Überschwingen. Eingangs- und Kondensatorspannung sind deshalb erst nach dem Einschwingen identisch.

Haltedrift: Auch wenn der Kondensator beim Haltevorgang sehr hoch- ohmig geschaltet wird, kommt es doch zu einer geringfügigen Entladung, der Haltedrift.

Aperture-Jitter: Nach dem Sample-Vorgang schaltet die SH-Stufe in den Haltezustand. Diese Zeit ist nicht immer genau identisch. Solche Zeit- schwankungen werden als Aperture-Jitter bezeichnet. Der Fehler wirkt
sich dabei unterschiedlich aus. Bei einem gleichbleibenden Signal hat er keine Wirkung. Je höher die Änderungsgeschwindigkeit, desto größer der Fehler.

Vergleichen Sie diese Werte mit Ihren Anforderungen und ermitteln Sie den optimalen Kompromiss. Es lassen sich nicht alle Werte gleichzeitig verbessern. Falls Sie eine sehr hohe Anstiegsgeschwindigkeit benötigen (z. B. 1000 V/μs), müssen Sie auch immer eine hohe Haltedrift (z. B. bis zu mehreren Tausend V/s) einkalkulieren.

_Werner Böcker_

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