5.7.4. Ацп с промежуточным преобразованием в частоту

ПНК с двухтактным интегрированием, несмотря на свою стабильность и точность имеют недостатки:

- сложность измерения разнополярных напряжений;

- автоматическая стабилизация дрейфа нуля интегратора и нуль-органа требует большого количества аналоговых ключей.

Подобно АЦП с двухтактным интегрированием процесс преобразования напряжение-частота также сводится к интегрированию.

Однако, в данном случае, вместо подсчёта импульсов фиксированной частоты в переменный временной интервал ведется подсчёт импульсов переменной частоты в фиксированный временной интервал.

В обоих случаях конечная точность зависит от точности преобразования напряжения во временной интервал или частоту.

АЦП с использованием промежуточного преобразования напряжения в частоту различают по принципу построения структурной схемы АЦП и по типу преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ).

На практике получили распространение три схемы построения АЦП с ПНЧ:

- непосредственного преобразования

- с обратной связью по постоянному напряжению

- с переменной крутизной ПНЧ.

Рассмотрим по порядку.

АЦП с ПНЧ непосредственного преобразования

Не имеет обратной связи (см. рис.5.21), точность их работы не превышает точности ПНЧ, а быстродействие ограничено максимальной частотой ПНЧ.

Рис. 5.21. АЦП с ПНЧ непосредственного преобразования.

Простейший АЦП с промежуточным преобразованием в частоту состоит из преобразователя напряжение-частота (ПНЧ), выходная частота которого пропорциональна , где– выходная частота,– крутизна ПНЧ,– входное напряжение.

Если выходную частоту ПНЧ подать на счётчик импульсов и подсчитать количество импульсов за фиксированное время, т.е. проинтегрироватьза время, то получим

,

где – среднее за интервалнапряжение.

Однако из-за того, что преобразователь ПНЧ не удается построить высокой точности (лучше 1%) и он неустойчиво работает при малом входном напряжении, указанный преобразователь применяют для малых точностей.

С обратной связью по постоянному напряжению

Высокие метрологические характеристики могут быть получены введением отрицательной обратной связи, охватывающей ПНЧ, предварительный усилитель и входные цепи ЦАП.

Однако применение обратной связи в АЦП с ПНЧ имеет некоторые особенности.

В связи с тем, что выходной величиной преобразователя является импульсная последовательность, то для введения обратной связи необходимо осуществить обратное преобразование выходной величины в постоянное напряжение.

Рис. 5.22. АЦП с обратной связью по постоянному напряжению.

Такое преобразование можно выполнить при помощи формирователя импульсов постоянной вольт-секундной площади и фильтра нижних частот. Упрощенная структурная схема приведена на рис. 5.22.

Структурная схема на рис. 5.22 может быть представлена в виде линейной модели на рис. 5.23.

Рис. 5.23. Линейная модель АЦП с обратной связью

по постоянному напряжению.

Для рис. 5.23 передаточная функция, при , будет иметь вид

.

Из последнего выражения следует, что введение отрицательной обратной связи уменьшает эквивалентную крутизну преобразователя в раз, по сравнению с крутизной без обратной связи.

Однако из теории автоматического регулирования известно, что погрешность выходной частоты преобразователя уменьшается также в раз.

Увеличение крутизны преобразователя можно произвести путем введения в прямую цепь коэффициента усиления , при этом эквивалентная крутизна будет

.

Если выбрать , то крутизна будет зависеть только от звена обратной связи

Т.е. введение повышает крутизну и, таким образом, разрешающую способность.

При относительная погрешность будет.

Подобного результата добиваются путем замены на интегратор постоянного тока, т.е. введение в прямую цепь астатического звена первого порядка.

Схема работает следующим образом.

Входное напряжение поступает на интегрирующий усилитель. Одновременно на вход этого усилителя поступает напряжение обратной связи с ПЧН.

Интегратор интегрирует разностное напряжение .

В результате на его выходе установится выходное напряжение . Это напряжение поступает на ПНЧ, у которого, как было показано ранее,.

Импульсы через вентильпоступают на предварительно обнуленный счетчик, где подсчитываются в течение интервала времени(фиксированное время).

В результате на счетчике зафиксируется код

.

Одновременно импульсы с ПНЧ поступают на ПЧН, на формирователь импульсов с постоянной вольт-секундной площадью, т.е. импульсов длительностью и амплитудой.

Постоянная составляющая на выходе ФНЧ блока ПЧН будет равна

.

В контуре будет равновесие, если , т.е.. Тогда

,

.

Интегратор при этом не изменяет своего выходного напряжения.

Однако в рассмотренном виде преобразователь не имеет применения, так как:

- при у нас, что трудно реализуемо при создании ПНЧ;

- пригодность только для сигналов одной полярности.

Оба указанных недостатка устраняются путем введения напряжения смещения . За введение смещенияприходится расплачиваться потерей калибровки АЦП и потерей информации о полярности входного сигнала. Однако эти трудности преодолимы, если проводить два последовательных измерения, в которых коммутируется только входное напряжение.

Схема и временная диаграмма представлены на рис. 5.24.

Перед периодом времени замыкается ключна землю и на вход интегратора поступает напряжениеи.

Рис. 5.24. Схема и временная диаграмма.

На выходе ПНЧ установится частота, равная:

В течение времени импульсы поступают в реверсивный счетчик на вычитание и за времянакопится числоM₁.

.

По окончании первого этапа , ключподает на вход измеряемое напряжение, в результате входное напряжение интегратора будет равно.

По истечении времени запаса , чтобы установились переходные процессы в контуре ина выходе ПНЧ установится частота:

.

Эта частота поступает на положительный вход реверсивного счетчика и за время в счетчик пройдетM₂ импульсов.

.

В конце преобразования в счетчике будет код:

,

.

Если , тои код отрицателен.

Если , тои код положителен.

Интервалы необходимы для установки интегратора и цепи обратной связи в стационарное состояние.

Для нормальной работы преобразователя необходимо выполнить условие:

.

Следовательно, в данном преобразователе за счет двойного счета (т.е. увеличения цифровой обработки) происходит автоматическая установка нуля и полярности входного напряжения.

Достоинства:

- напряжение смещения интегратора, дрейф входного разностного тока можно рассматривать как часть и между двумя соседнимиони изменяться не могут, следовательно, температурные дрейфы не влияют.

- то же самое можно сказать и о дрейфе частоты ГУН, т.к. в течение времени преобразования, необходимого для полного цикла, центральная частота ПНЧ не изменяется.

- рациональным выбором можно отфильтровать доминирующую гармоническую помеху.

Недостаток: малое быстродействие.