2.2. Времяимпульсный вольтметр на основе ацп двухтактного интегрирования

Способ двухтактного интегрирования методически лишен недостатков, присущих способу однотактного интегрирования. Принцип действия таких АЦП заключается в следующем. В первом такте, за известный промежуток времени t₀, интегрируется неизвестное входное напряжение U_X. Во втором такте производится считывание накопленного интеграла с помощью образцового напряжения U₀. Длительность t_Х второго такта прямо пропорциональна входному напряжению. В общем виде уравнение, описывающее изменение сигнала на выходе интегратора, имеет вид

где  – постоянная времени интегратора.

Получим уравнение преобразования такого вольтметра. Для напряжения на выходе интегратора за цикл преобразования можно записать:

После взятия интеграла получаем

где U_инт1 – напряжение на выходе интегратора в конце 1-го такта:

Подставляя полученное выражение в формулу для t_x, получаем

Интервал времени t₀ формируется путем деления частоты образцового генератора счетчиком импульсов. Таким образом:

где N₀ – емкость счетчика импульсов; fo – частота образцового генератора.

Тогда

Отсюда результат измерения:

Это и есть уравнение преобразования двухтактного вольтметра.

Результат измерения, как видно из уравнения преобразования, не зависит ни от постоянной времени интегратора, ни от частоты образцового генератора.

Погрешности вольтметра двухтактного интегрирования

1. Погрешности от неточности _U0 и нестабильности _TKU0 напряжения U₀ (мультипликативные):

где _U0 – максимальное по модулю отклонение опорного напряжения от номинального значения; TK_U0 – абсолютное значение отклонения опорного напряжения от номинального значения при изменении температуры окружающей среды на 1^оС; Т =  5 ^оС – диапазон нормальных температур.

2. Погрешность квантования (аддитивная):

3. Погрешности от ЭДС е₀ смещения нуля _е0 и дрейфа ТКе₀ этой ЭДС _ТКе0 в ОУ интегратора (аддитивные):

; ..

4. Погрешность от входных токов ОУ интегратора (аддитивная):

,

где e(i_ВХ) – ЭДС смещения нуля на входе ОУ интегратора, вызванная наличием i_ВХ.

5. Погрешность линейности интегратора (мультипликативная):

где k₀ – собственный коэффициент усиления ОУ интегратора; f_CP – частота среза RC цепи обратной связи; U_m – размах напряжения на выходе интегратора; V – скорость нарастания выходного напряжения ОУ интегратора.

6. Погрешность от неравенства между собой сопротивления R_K каналов ключей в замкнутом состоянии (мультипликативная):

где _Rк – максимальная разность сопротивлений каналов ключей, через которые напряжения U_X и U₀ подаются на вход интегратора; R_ИНТ – сопротивление резистора, подключенного к И-входу ОУ интегратора.

На рис. 2.3 приведен один из вариантов схемной реализации вольтметра двухтактного интегрирования.

Рис. 2.3. Функциональная схема вольтметра двухтактного интегрирования

Работа схемы происходит следующим образом. По сигналу с выхода генератора цикла ГЦ (короткий импульс низкого уровня) триггер DD2 устанавливается в "1" (сигнал "1 такт") и замыкается ключ DA3.1, подключая к входу интегратора измеряемое напряжение Ux. Напряжение U_ИНТ на выходе интегратора начинает линейно убывать. Как только U_ИНТ достигнет нуля, компаратор DA2 установится в "1" и откроет селектор DD1. Импульсы с выхода ГОЧ с частотой f₀ будут поступать на счетчик СИ. Как только СИ переполнится, на его выходе возникает сигнал "переполнение". Передний фронт этого сигнала сбросит триггер DD2, и на его инверсном выходе установится "1" (сигнал "2 такт"). При этом ключ DA3.1 разомкнется, а DA3.2 замкнется, и напряжение на выходе интегратора начнет линейно возрастать под действием U₀. Тем самым начнется отсчет и преобразование в цифровой двоично-десятичный код N_X интервала времени t_Х. Как только на выходе интегратора напряжение сравняется с нулем, на выходе компаратора DA2 установится "0", и селектор DD1 закроется. По заднему фронту импульса на выходе компаратора код N_X запишется в регистр Рг. С выхода Рг этот код поступит на дешифратор ЦОУ и в виде числа отобразится на его индикаторах. По следующему импульсу "старт", с выхода ГЦ описанный выше процесс повторится.

Временные диаграммы работы данной схемы приведены на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Временные диаграммы работы схемы вольтметра

двухтактного интегрирования

При практической реализации такой схемы постоянная времени интегратора выбирается из условия  = R^.C  t_Хmax. Чаще всего  = 2^. t_Хmax.

Кроме того, чаще всего принимается t_Хmax = t₀.

Выходная частота ГЦ выбирается так, чтобы пользователь успел снять показания прибора после преобразования, хотя в схеме, приведенной на рис. 2.3, благодаря наличию Рг это не требуется. Важно, чтобы значение периода следования импульсов с выхода ГЦ удовлетворяло условию: Тгц  t_Хmax + t₀.

Существенным достоинством двухтактного преобразования является то, что входной сигнал U_X интегрируется за известный промежуток времени t₀, а следовательно, помеха, которая может в нем содержаться, будет интегрироваться за это же время. Если t₀ задать так, что на этом интервале времени будет укладываться целое число периодов помехи, то интеграл от сигнала помехи будет равен 0. Это свойство вольтметров двухтактного интегрирования называется помехоподавлением и оценивается через коэффициент помехоподавления:

где Uпm – амплитуда помехи; п – абсолютная погрешность измерения, вызванная наличием помехи.

Графическая зависимость коэффициента помехоподавления от частоты помехи представлена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Зависимость k_Пот частоты помехи

Достоинства вольтметров двухтактного интегрирования:

1. сравнительно небольшое количество источников погрешности (ОУ интегратора, источник опорного напряжения и погрешность квантования);

2. потенциальная помехозащищенность при условии долговременной стабильности частоты ГОЧ.

Недостатки:

1. низкое быстродействие;

2. в таких приборах t_ИЗМ не может быть меньше 40 мс, так как

мс.

В заключение рассмотрения вольтметров интегрирующего типа отметим, что метод 2-тактного интегрирования используется в большинстве серийно выпускаемых вольтметров и интегрирующих АЦП. В этих приборах зачастую вводятся еще несколько служебных тактов. Эти такты используются как во время преобразования (для уменьшения погрешности линейности интегратора), так и по окончании преобразования (для автоматической коррекции дрейфа ЭДС смещения нуля интегратора).