5.7.2. Время-импульсный ацп с двойным интегрированием

В отличии от АЦП с ВИМ – АЦП с двойным интегрированием позволяет существенно уменьшить влияние неточности интегрирования, повысить помехоустойчивость, снизить требования к генератору эталонной частоты.

В данном преобразователе (см. рис. 5.17) совершаются два такта интегрирования: входного напряжения и эталонного напряжения.

Рис. 5.17 АЦП с двойным интегрированием.

В исходном состоянии RS-триггеры Т1 и Т2 находятся в состоянии 0. Ключ К3, управляемый инверсным выходом триггера Т2 замкнут, и на выходе ОУ будет потенциал близкий к нулю.

Счётный вход (+1) ИС счётчика СТ заперт сигналом 0 прямого выхода Т2, и счётчик хранит результат предыдущего состояния.

Счётчик СТ устанавливается в состояние ноль сигналом «Пуск», который задерживается одновибратором S и поступает на S вход триггера Т2, устанавливая его в состояние 1.

Это приводит к размыканию ключа К3 и отмыканию счётного выхода СТ, который начнёт подсчитывать импульсы генератора G тактовой частотой . Интегратор на ОУ начинает интегрировать входное измеряемое напряжение, поступающее на вход ОУ через замкнутый ключ К2, управляемый инверсным выходом Т1. Интегрирование происходит с постоянной времении продолжается в течении времени

Импульс переноса СТ (выход Р) устанавливает Т1 в 1, размыкая тем самым ключ К2 и замыкая К1. На вход интегратора подаётся эталонное напряжение . В этот момент временина выходе интегратора будет напряжение, равное:

.

Эталонное напряжение имеет обратную полярность по отношению к, и выходное напряжение интегратора начинает изменяться в противоположную строну.

Когда выходное напряжение интегратора станет равно нулю, Кп срабатывает, и его выходной сигнал устанавливает оба триггера в состояние 0. Схема приходит в исходное состояние.

Счётчик к концу второго интегрирования подсчитывает N импульсов, при этом

где – время второго интегрирования.

Так как , то можно записать:

,

.

Достоинства:

Из последнего выражения видно, что на результате преобразования не сказываются значения тактовой частоты генератора и медленное изменение её за время преобразования .

Результат преобразования не зависит также от постоянной интегрирования , если она не изменяется в процессе интегрирования.

Погрешность:

Статическая погрешность данного АЦП определяется в основном параметрами интегратора (напряжение смещения усилителя), погрешностью срабатывания компаратора и погрешностью эталонного напряжения.

Учитывая напряжение смещения и, можно записать:

,

,

.

.

.

Так как и, то инструментальную погрешность можно записать в виде:

.

где – погрешность измерения интервала,– погрешность измерения интервала.

Рис.5.18. Схема компенсации дрейфа нуля ОУ и КП.

Таким образом, погрешность в основном зависит от нестабильности и дрейфа смещения операционного усилителя и компаратора,иможно пренебречь.

Влияние нестабильности иможно скомпенсировать, применив схему полной компенсации дрейфа нуля ОУ и КП.

Схема изменяется только в части ключа К3, добавляется ключ К4, и фрагмент схемы будет иметь вид представленный на рис. 5.18.

Работает схема следующим образом.

Когда цикл измерения окончен, замыкаются ключи К3 и К4. Таким образом на вход ОУ подаётся через К4 нулевой потенциал. За счёт интегратор начинает интегрировать. Напряжение достигает уровня срабатывания компаратора, с учётом. Срабатывает компаратор и через ключ К3 заряжает ёмкостьсвоим выходным потенциалом. Одновременно потенциалприложен к неинвертирующему входу ОУ, таким образом, что в целом образуется отрицательная обратная связь. Усилитель за счёт потенциаламеняет направление интегрирования до тех пор пока напряжение не пересечёт уровня срабатывания Кп в обратную сторону. Таким образом, в системе установится режим автоколебаний, так как Кп – релейный элемент, а на ёмкости потенциал – эквивалентныйи.

После того, как приходят команда пуск, К3 и К4 размыкаются, а запомненный на ёмкости потенциал компенсации участвует в преобразовании и снимает ошибку от и. По окончании процесса измерения, режим колебаний восстанавливается и подзаряжается ёмкость. Постоянная временивыбрана значительно больше, чем период измерения, поэтому разрядом ёмкости можно пренебречь, как ошибкой второго порядка малости.

Одним из крупных достоинств АЦП с двойным интегрированием, является то, что в момент времени входное напряжение интегрируется за время, и после этого оно отключается. Отдельные импульсные помехи и шумы не сильно сказываются на интеграле напряжения, а в момент преобразования этого напряжения в код, входное напряжение отключено и на точность работы компаратора не влияет. Кроме того АЦП с двойным интегрированием обладает хорошими фильтрационными свойствами к гармонической помехе.

При аналоговом сигнале, представляющем собой смесь измеряемого сигнала и синусоидальной помехи

где – угловая частота помехи,– фазовый сдвиг помехи.

В конце первого такта на выходе интегратора напряжение примет вид:

.

Измеряемый сигнал и помеха имеют коэффициент передачи на выходе интегратора соответственно и.

Коэффициент подавления помехи будет равен отношению этих коэффициентов:

.

При выборе времени интегрирования равному или кратномупомеха полностью подавляется, то есть.

Пользуясь выражением для можно определить степень подавления любой помехи, разложив её в гармонический ряд.

Часто в АЦП предусматривают автоподстройку под доминирующую помеху (чаще всего сеть 50Гц). Указанные АЦП можно изготовить додвоичных разрядов идо 150 преобразований в секунду.