11.5. Ацп на основе преобразователя напряжение – частота

На базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости. Структурная схема ПНЧ отечественной ИС 1108ПП1 и диаграммы ее работы показаны на рис. 11 .7.

Рис. 11.7. ПНЧ: структурная схема (а), диаграммы работы (б)

В исходном положении ключ S1 разомкнут. Под действием отрицательного входного напряжения выходное напряжение интегратора увеличивается по линейному закону (рис. 11 .7, б). Как только оно достигнет значения опорного напряжения Е_o, компаратор переключится, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс малой длительности. Последовательность этих импульсов является выходным сигналом u₂ ПНЧ с частотой f. На время длительности импульса ключ замыкается, и стабильный ток I_о разряжает конденсатор С1. В момент переключения компаратора

, откуда и .

Период ПНЧ обратно пропорционален среднему значению входного напряжения, а частота ПНЧ прямо пропорциональна U_ср.

Структурная схема АЦП на базе ПНЧ и диаграммы его работы приведены на рис. 11 .8. Интервал преобразования Т_п формируется генератором частоты дискретизации. От стабильности этой частоты зависит погрешность преобразования АЦП. Счетные импульсы u₂ вырабатываются ПНЧ. Чем больше величина изменения u(t) на интервале Т_п, тем больше среднее значение входного напряжения, и, следовательно, тем большее количество импульсов формирует ПНЧ. Двоичный счетчик подсчитывает число импульсов т, поступивших от ПНЧ за период Т_п

.

П осле окончания интервала времени Т_п в момент прихода очередного импульса от генератора происходят обнуление счетчика и запись кода в выходной регистр.

Рис. 11.8. АЦП на базе ПНЧ: структурная схема (а); диаграммы работы (б)

11.6. Основные параметры ацп

11.6.1. Номинальные параметры

при последовательном возрастании значений входного напряжения от 0 (начальная точка шкалы) до конечной точки шкалы U_max (полная шкала преобразования) выходной цифровой сигнал образует ступенчатую функцию 1 (рис.  11 .9, а). Такую зависимость по аналогии с ЦАП называют номинальной ХП. В отсутствии погрешностей средние точки ступенек расположены на номинальной прямой 2.

Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций выходного сигнала. Для двоичных кодов она равна 1/2ⁿ. Разрешающая способность задаётся в разрядах или процентах. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/2¹²=1/4096 или 0,0245 % от полной шкалы. Чем больше разрядность АЦП, тем выше его разрешающая способность.

Разрешающей способности соответствует приращение входного напряжения АЦП при изменении выходного кода на ЕМР. Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов номинальное значение шага квантования равно h = U_max /(2ⁿ – 1), где U_max – напряжение полной шкалы; n - число разрядов АЦП.

Реальная ХП может существенно отличаться от номинальной размерами и формой ступенек, а также расположением их на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует ряд параметров.

Рис. 11.9. Параметры АЦП: номинальные и погрешность смещения нуля (а),

интегральная нелинейность (б), дифференциальная нелинейность (в)