Sample & Hold

Manche Typen von AD-Wandlern benötigen während des Konversionsvorgangs ein konstantes Eingangssignal, um zu korrekten Ergebnissen zu kommen. Unter konstantem Eingangssignal ist ein Signal gemeint, das sich innerhalb der Konversionszeit maximal um die halbe Höhe der kleinsten Stufe des AD-Wandlers ändert.

Ein Beispiel soll das illustrieren. Angenommen ein Signal wird mit einem 10-Bit-ADC digitalisiert, der eine Konversionszeit von 100 μs und einen Eingangsspannungsbereich von 5 V aufweist. Die kleinste Stufe entspricht also 5/1024 = 4.9 mV. In diesem Fall darf sich die Eingangsspannung innerhalb von 100 μs nicht um mehr als 2.45 mV ändern, um ein Ergebnis mit 10 Bit Genauigkeit zu erhalten. Angenommen, das Eingangssignal nützt den vollen Eingangsspannungsbereich von 5 V aus, so darf dieses Signal eine Frequenz von höchstens etwa 3 Hz (!) besitzen, wenn diese Bedingung erfüllt sein soll.

Man sieht aus dem obigen Beispiel, dass selbst für schnelle AD-Wandler die maximal erlaubte Grenzfrequenz sehr niedrig ist, falls man die maximal mögliche Auflösung ausschöpfen möchte. Die folgende zeigt die Grenzfrequenzen in Abhängigkeit von der Konversionszeit und der Auflösung des verwendeten AD-Wandlers.

Zusammenhang von Grenzfrequenz, Auflösung und Konversionszeit

Um nun dieses Problem zu lösen, kann man in den Signalpfad vor den AD-Wandler eine Schaltung einfügen, die für die Zeit der Konversion das Eingangssignal konstant hält. Diese Schaltung wird 'Sample & Hold'- oder auch 'Track & Hold'- Schaltung genannt (S&H oder T&H), da ihre Ausgangsspannung normalerweise dem Eingangssignal folgt, und während der Konversion die Ausgangsspannung auf dem letzten Wert konstant gehalten wird.

Nachstehende Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau einer S&H-Schaltung. Nach einem Spannungsfolger, der als Impedanzwandler dient, läuft das Signal über einen elektronischen Schalter zu einem Kondensator. Mit dem Kondensator ist wiederum ein Spannungsfolger verbunden, der die Kondensatorspannung an den Ausgang weiterleitet.

Aufbau einer Sample & Hold-Schaltung

Im Sample-Modus ist der Schalter geschlossen und das Ausgangssignal ist gleich dem Eingangssignal. Wird nun der Schalter geöffnet (Hold-Modus), bleibt die Spannung am Kondensator annähernd konstant, da dieser nur mehr über den sehr großen Eingangswiderstand des zweiten Spannungsfolgers entladen werden kann. Das heißt also, dass die Eingangsspannung quasi eingefroren wird und die Ausgangsspannung den Wert der Eingangsspannung hält, der zum Zeitpunkt des Umschaltens vorhanden war. Folgende Abbildung zeigt die Eingangs- und Ausgangsspannung einer S&H-Schaltung.

Die maximal mögliche Signalfrequenz wird nun nicht mehr von der Konversionszeit des AD-Wandlers bestimmt, sondern nur mehr von der Zeit, die die S&H-Schaltung benötigt, ein Signal mit einer bestimmten Genauigkeit zu erfassen (acquisition time) und der Zeit um vom Sample- in den Hold-Modus zu schalten (aperture time). Die Summe dieser Zeiten liegt typischerweise zwischen einigen ns und einigen μs und ist damit um den Faktor 100 - 10000 kleiner als die Konversionszeit eines mittelschnellen AD-Wandlers.

Spannungsverläufe an einer Sample & Hold-Schaltung

Neben den positiven Effekten auf die Signalfrequenz sind S&H-Bausteine jedoch auch mögliche Fehlerquellen, die die Genauigkeit der Digitalisierung herabsetzen können, wenn sie nicht beachtet werden. Zum einen muss die Geschwindigkeit des Spannungsabfalls des Kondensators beachtet werden. Für schnelle AD-Wandler wird das normalerweise kein Problem darstellen, jedoch kann bei langsameren Typen mit hoher Auflösung die Kondensatorspannung innerhalb der Konversionszeit um mehr als ein halbes Bit abfallen, was zu einem Verlust der Genauigkeit der Digitalisierung führt.

Ein sehr häufig übersehener Fehlerbeitrag rührt aus Spannungsspitzen beim Umschaltvorgang her (hold step). Diese Spannungsspitzen führen zu einer Zusatzladung am Kondensator und damit zu einer Verfälschung der Spannung am Kondensator (die ja gleich der Eingangsspannung sein soll). Diesen Fehler kann man jedoch durch einen einfachen Trick ausgleichen (s. nachstehende Schaltung). Man koppelt einen kleinen Teil des Schaltsignals auf den S&H-Kondensator über ein Hochpassfilter ein. Macht man die Größe des eingekoppelten Signals einstellbar, so kann man diesen Fehler auf null abgleichen.

Ausgleich des Übersprechens des Steuersignals

Ein weiterer Fehler, der durch S&H-Bausteine eingeführt wird, ist der sogenannte 'Aperturjitter'. Darunter versteht man Unregelmäßigkeiten in der Zeit, die benötigt wird, bis der Umschaltvorgang vom Sample- in den Hold-Modus beendet wird. Der Aperturjitter wirkt sich vor allem bei hohen Frequenzen des Eingangssignals aus.