Пнч с заданным интегралом непрямоугольного компенсирующего импульса (пнч зи)

Принцип действия таких ПНЧ основан на том, что интеграл компенсирующего импульса задается в них без предварительного формирования опорного интервала времени.

Одним из способов получения компенсирующего импульса является перезаряд конденсатора. Так, если конденсатор С заряжен до некоторого напряжения U₀, то его заряд

q = C  U₀.

Если конденсатор С разрядить через резистор R, то площадь (интеграл) импульса напряжения на этом резисторе будет

S = q  R = C  U₀  R.

Следовательно, если интеграл компенсирующего импульса равен S, то частота перезаряда конденсатора

f = U_BX/S.

С учетом выражения получаем частоту перезаряда (или выходную частоту ПНЧ ЗИ):

где U₀ – опорное напряжение ПНЧ.

Один из вариантов реализации функциональной схемы ПНЧ ЗИ приведен на рис. 2.14.

В состав схемы входит интегратор, выполненный на базе операционного усилителя DA1, триггер Шмитта на базе ОУ DA2 и узел формирования компенсирующего импульса на базе конденсатора С2 и аналогового ключа S1.

Компенсирующий импульс образуется за счет разряда конденсатора С2 через резистор R4 во втором такте. Предварительно в первом такте конденсатор С2 заряжается до напряжения –U₀.

В результате средний ток от источника входного сигнала за период Т_ВЫХ преобразования оказывается скомпенсированным средним током разряда конденсаторат.е.

Тогда уравнение преобразования ПНЧ ЗИ, выполненного по схеме, приведенной на рис. 2.14, будет иметь вид:

Рис. 2.14. Функциональная схема ПНЧ ЗИ

Достоинство ПНЧ ЗИ: высокое быстродействие (определяется быстродействием ключа S1 и операционных усилителей) и небольшое число источников погрешностей.

Недостаток ПНЧ ЗИ: низкая помехозащищенность.

2.5. Вольтметры уравновешивающего преобразования (кодоимпульсные вольтметры)

Такие вольтметры по принципу действия подразделяются на вольтметры развертывающего уравновешивания и следящего уравновешивания.

По способу развертки компенсирующей величины эти вольтметры делятся на вольтметры с разверткой от младшего разряда выходного кода и с разверткой от старшего разряда выходного кода.

Вольтметры развертывающего уравновешивания характеризуются строго определенным циклом преобразования и выполняются либо с равномерной разверткой (в этом случае развертка компенсирующей величины начинается с младшего разряда), либо с неравномерной разверткой (развертка компенсирующей величины начинается со старшего разряда). Последний способ формирования развертки еще называют методом последовательных приближений.

Вольтметры следящего уравновешивания не являются приборами циклического действия, но так же, как и развертывающие вольтметры, реализуют либо равномерно ступенчатую отработку (РСО) компенсирующей величины, либо неравномерно ступенчатую отработку (НСО).

2.5.1. Вольтметр развертывающего уравновешивания с рсо

Структурная схема вольтметра, реализующего РСО начиная с младшего разряда, приведена на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Структура вольтметра развертывающего уравновешивания с РСО

На рисунке обозначено: X – входная величина; X_К – компенсирующая величина; X = X – Xк. – выходной разностный сигнал устройства вычитания; X_П – пороговое напряжение компаратора.

Минимальное значение Xmin  кв (кв – абсолютная погрешность квантования).

Работа схемы осуществляется следующим образом. В начале цикла преобразования БУ сбрасывает СИ. На выходе ПКН при этом будет ноль.

Следовательно: X – Xк = X >> X_П. При этом на выходе компаратора будет "1", разрешающая прохождение импульсов с выхода ГОЧ, с периодом Ти, через селектор на СИ. По каждому импульсу с выхода селектора код Nx увеличивается на единицу младшего разряда, а сигнал Xк увеличится на X_min. Как только разность X – Xк станет меньше или равна X_П, на выходе компаратора установится "0", селектор закроется, и на выходе СИ зафиксируется значение Nx.

По окончании цикла преобразования БУ подаст на ЦОУ сигнал "запись", а на СИ – "сброс". По сигналу "запись" код Nx запишется в регистры ЦОУ и в виде числа отобразится на его индикаторах. Сам же сигнал "сброс" инициирует новый процесс преобразования. Длительность цикла преобразования задается БУ:

Тц = Ти ^. N₀,

где N₀ = X_max/X_min – максимальное число ступеней квантования.

Обобщенные временные диаграммы работы схемы приведены на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Обобщенные временные диаграммы работы схемы вольтметра

Значение Х_П в таких вольтметрах можно выбирать в пределах 0 ≤ Х_П ≤ _КВ. Однако, если X_П = 0, закон распределения погрешности _КВ оказывается смещенным относительно математического ожидания и |_КВ| = |_{КВ max}|. При этом дрейф ЭДС смещения нуля компаратора может оказывать существенное влияние на погрешность измерения. В результате может оказаться, что 1 или 2 младших разряда кода N_X будут неинформативными. Поэтому рекомендуется задавать Х_П ≤ _КВ/2. При этом погрешность от дрейфа ЭДС смещения нуля компаратора будет минимальной, а математическое ожидание погрешности квантования

М[_КВ] = _КВ/2.

Погрешности вольтметра развертывающего уравновешивания с РСО

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. Максимальная погрешность квантования (аддитивная):

3. Погрешность полной шкалы ПКН (мультипликативная):

,

где _FS – абсолютное отклонение реальной характеристики преобразования ПКН от номинального значения при N_X = N_Xmax.

Данная погрешность устраняется вместе с погрешностью _U0 регулировкой величины опорного напряжения при входном напряжении U_X = U_Xmax.

4. Погрешность линейности ПКН (аддитивная):

где _L – максимальное отклонение кривой реальной характеристики преобразования ПКН от кривой, соединяющей две ее крайние точки.

5. Погрешность от дифференциальной нелинейности ПКН (аддитивная):

где _LD – наибольшая по модулю разность кванта преобразования АЦП и среднего значения кванта.

6. Погрешность от дрейфа ЭДС смещения нуля компаратора (аддитивная):

где _е0 = (ТК_е0 ^. Т) – абсолютная погрешность от дрейфа ЭДС е₀.

Примечание. Данное выражение справедливо, если (ТК_е0 ^. Т)  _КВ. Это следует учитывать при выборе компаратора.

Отметим, что при использовании интегральных ПКН параметры _FS, _L, _LD являются паспортными, а их значения не превышают единицы младшего разряда (ЕМР) преобразования.

Основные достоинства такого вольтметра:

1. малое число источников погрешностей, имеющих значительную величину;

2. возможность получения сравнительно небольшого времени преобразования;

3. возможность получения большой разрядности преобразования (но ниже, чем у интегрирующих вольтметров).

Основные недостатки:

1. отсутствие помехозащищенности;

2. большая динамическая погрешность при работе с сигналами, изменяющимися во времени.