LEKCIJA_10

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент

Характеристики ЦВ зависят от метода преобразования (измерения), его схемной реализации, параметров элементной базы, конструкции, технологии изготовления и других факторов. Эти факторы — зависимые величины, в совокупности и взаимосвязи, определяющие свойства конкретных приборов. Метод преобразования и элементная база являются определяющими при получении ЦВ с требуемыми характеристиками. Метод преобразования характеризуется возможностью достижения определенной совокупности параметров ЦВ. Эти возможности данного метода реализуются его схемным решением, примененной элементной базой, конструкцией и т. п. Каждый метод преобразования характеризуется присущими только ему особенностями и позволяет создавать приборы с вполне определенными характеристиками: так, интегропотенциометрический метод обеспечивает наивысшую точность измерений, кодово-импульсный — быстродействие, двойного интегрирования — помехозащищенность и т. п.

Для преобразования постоянного напряжения (тока) в цифровой эквивалент (код) применяют следующие методы:

- пространственного кодирования;

- с промежуточным преобразованием напряжения:

- во временной интервал (время-импульсный метод);

- в частоту (частотно-импульсный метод);

- в фазу;

- кодово-импульсный;

- комбинированные, сочетающие несколько методов преобразования.

Рассмотрим эти методы более подробно.

Метод пространственного кодирования. Этот метод нашел распространение только в АЦП. Приборы с пространственным кодированием выполняются на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), экран которой имеет спе­циальную кодирующую маску (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Структурная схема АЦП с пространственным кодированием

Измеряемое напряжение u_x подается на вертикальные пластины 1 ЭЛТ, по сигналу запуска генератор линейно изменяющегося напряжения развертывает их в горизонтальную линию, отстоящую от нулевого уровня на расстоянии L, пропорциональном величине u_x. На кодирующей маске нанесен рисунок с прозрачными и непрозрачными для электронного луча участками, соответствующими 1 или 0 кода. Для уменьшения ошибки считывания (ошибки неоднозначности до единицы младшего разряда) в АЦП на ЭЛТ чаще всего применяют циклический двоичный код или код Грэя. Электронный луч проходит через прозрачные участки маски и фокусируется оптическими линзами 4 на фотоэлементы 5, сигналы с которых усиливаются усилителем считывания и в виде кода выдаются на выход.

Взаимосвязь выходного кода N и входного напряжения их определяется выражением: , где k₁ — коэффициент, связывающий ли­нейный размер L и значение кода; k₂ — коэффициент, связывающий напряжение на пластинах u_откл и расстояние L, на которое перемещается линия пересечения луча с маской под действием этого напряжения; k₃ — коэффициент усиления входного усилителя; — единица младшего разряда.

Изменением k₁ можно пренебречь, так как его значение определяется геометрией кодирующей маски, которая является весьма стабильной.

Рис.10.2. Структурная схема ЦВ время-импульсного типа для измерения мгновенного значения напряжения

Достоинство АЦП с пространственным кодированием — высокое быстродействие, достигающее (1 — 5)∙10^-7 преобразований. Погрешность преобразования при этом не превышает 1 %.

Методы с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал (время-импульсные методы). Эти методы в зависимости от значения измеряемого напряжения можно разделить на методы, применяемые для измерения мгновенного значения напряжения, и методы для измерения среднего значения напряжения.

Цифровые вольтметры для измерения мгновенного значения, основанные на время-импульсном методе, обычно выполняются по структурной схеме, приведенной на рис. 10.2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы этой схемы при измерении положительного напряжения, приведены на рис. 10.3, а, а отрицательного — на рис. 10.3,б. При нажатии кнопки Пуск (момент времени t₀ на рис. 10.3) генератор периода измерения выдает импульс 7 для сброса показаний десятичного счетчика и установки его в нулевое состояние и одновременно с этим импульс 1 запускает генератор линейно изменяющегося напряжения, с которого на УС₁ и УС₂ подается напряжение пилообразной формы 2. Это напряжение изменяется (в данном случае уменьшается) от значения u_mах до значения u_min. В момент равенства измеряемого напряжения u_х, подаваемого на один из входов УС₁ через входной усилитель (или входной делитель и усилитель), и напряжения пилообразной формы, подаваемого на второй вход этого же устройства сравнения, УС₁ срабатывает (момент времени t₁ для положительного напряжения, t₃ — для отрицательного напряжения). А в момент прохождения пилообразного напряжения через нуль срабатывает УС₂, на второй вход которого подается нулевой потенциал (момент времени t₂).

Рис. 10.3. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы ЦВ время-импульсного типа, измеряющего мгновенное значение напряжения: а - при U_x > 0; б - при U_x < 0

Импульсы 4 и 3 соответственно с выходов УС₁ и УС₂ подаются на схему ИЛИ, на выходе которой формируется импульс Т_х (T_x = t₂ — t₁ при положительном измеряемом напряжении и Т_х = t₃ — t₂ при отрицательном), длительность которого пропорциональна входному измеряемому напряжению u_х 5. Импульс длительностью Т_х подается на трехвходовую схему И, на два других входа которой подаются сигналы с генератора опорной частоты 8 и генератора периода измерения. На выходе схемы И сигнал 9 появляется только в момент его наличия на всех трех входах. Таким образом, на выходе схемы И формируется пачка импульсов опорной частоты, число импульсов в которой N_x пропорционально длительности импульса Т_х и, следовательно, измеряемому напряжению. Число импульсов N_x с выхода схемы И подсчитывается десятичным счетчиком и индицируется на цифровом индикаторе. Между числом импульсов N_x, зарегистрированных счетчиком, и измеряемым напряжением существует простое соотношение: N_x = T_x/T₀ = ( f₀/k_l ) ∙ k₂u_x, где u_х — входное напряжение; f₀ — частота генератора опорной частоты; Т_о = = 1/f₀ — период опорной частоты; k₁, = du_лин/dt — скорость изменения (крутизна) линейно изменяющегося напряжения; k₂ — коэффициент преобразования напряже­ния их во входном усилителе (делителе) (для рис. 10.3, а, б k₂ = 1).

Подбором f₀ и k₁ добиваются того, чтобы значение N_x точно соответствовало значению измеряемого напряжения. Например, u_х = 1 В = 1000 мВ соответствовало N_x = 1000 импульсов.

Очередность срабатывания устройств сравнения определяет полярность измеряемого напряжения. При положительном напряжении первым срабатывает УС₁, затем УС₂. При отрицательном напряжении наоборот. Для определения очередности срабатывания устройств сравнения служит детектор полярности, выходной сигнал которого подается на индикатор полярности.

Для определения полярности могут быть использованы и срабатывания устройств сравнения при возрастании линейного напряжения от u_min до u_mах (моменты и ). В этом случае при положительном их срабатывает сначала УС₂, затем УС₁. Чтобы моменты срабатывания устройств сравнения на участке Т₃ не использовались для формирования Т_x, сигнал от генератора периода измерения на схему И подается только в течение времени Т₁ + Т₂ — времени прямого хода линейного напряжения.

Возврат генератора линейно изменяющегося напряжения в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляются импульсом генератора периода измерения после истечения времени T₁+T₂.

Преобразование постоянных напряжений по этому методу нашло достаточно широкое распространение благодаря сравнительно простой реализации этого метода, возможности его полного выполнения на ИМС. Погрешность метода определяется нелинейностью и нестабильностью линейно из­меняющегося напряжения (т. е. непостоянством k₁) и погрешностью, обусловленной нестабильностью порога срабатывания устройств сравнения. Цифровые вольтметры, основанные на этом методе, имеют погрешность 0,1-0,05%.

Основной недостаток метода — невозможность подавления напряжения помех. Для устранения этого недостатка на входе прибора включают фильтр, что приводит к существенному увеличению времени изме­рения.

Наибольшее распространение из время-импульсных методов, реализуемых в ЦВ, нашли различные варианты метода двойного интегрирования, обеспечивающего измерение среднего (за интервал интегрирования) значе­ния u_х. Распространение этого метода обусловлено его очевидными достоинствами — возможностью подавления напряжения помех, получением высокой точности при относительной простоте схемы, возможностью полной реализации на ИМС.

В ЦВ двойного интегрирования преобразование их в пропорциональный ему временной интервал Т_х осуществляется путем интегрирования сначала измеряемого u_х, а затем опорного u_оп, напряжений. В первом такте в течение времени Т_и производится интегрирование входного напряжения u_х, в результате чего напряжение на выходе интегратора

, (10.1)

где RС - постоянная времени интегратора;

t — независимая переменная величина (время).

В конце интервала интегрирования напряжение на выходе интегратора равно: U₁(T₁)=u_xT_И/RC.

В течение второго такта интегрируется опорное напряжение u_оп, имеющее противоположную по отношению к u_х полярность. Интегрирование опорного напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю. Поэтому в течение времени второго такта напряжение на выходе интегратора

, (10.2)

а в конце этого периода , откуда Т_х = u_хТ_И/u_оп. Преобразование временного интервала Т_х в эквивалентное число импульсов N_x осуществляется так же, как и в описанном выше методе, — путем заполнения Т_х импульсами генератора опорной частоты и подсчета их числа счетчиком N_x = u_xT_Иf_оп/u_оп (f_on~ частота генератора опорной частоты).

Интервал интегрирования ТИ формируется обычно путем заполнения счетчика импульсами от генератора опорной частоты и равен в этом случае Т_И = N/f_on (N — емкость счетчика), тогда N_x = u_xN/u_on.

Из уравнения T_x = F(u_x) видно, что временной интервал Т_х, пропорциональный u_х не зависит от постоянной времени интегратора RC, а зависит от значений u_оп и Т_и, которые могут поддерживаться постоянными с высокой точностью. В этом основное преимущество метода двойного интегрирования перед методом с генератором линейно изменяющегося напряжения, описанным выше. Достоинством метода является также то, что значение N_x не зависит от начального напряжения интегратора и долговременной нестабильности Т_и и f_оп.

Структурная схема ЦВ, основанного на методе двойного интегрирования, приведена на рис.10.4, а, а временные диаграммы, поясняющие его работу, - на рис. 10.4, б. После запуска устройства управления (момент t₁) на счетчик и запоминающее устройство подается сигнал, устанавливающий u_х в исходное (нулевое) состояние. В момент t₂ с устройства управления подается сигнал, который ключ Кл₂ размыкает, а ключ Кл₁ устанавливает в положение 1, когда на вход интегратора подается u_х, например +u_1.

Рис. 10.4. Цифровой вольтметр, реализующий метод двойного интегрирования: а — структурная схема; б — временные диаграммы, поясняющие его работу

Ключ Кл₁ находится в положении 1 в течение времени T_и, при этом напряжение на выходе интегратора u_инт возрастает до значения +u^/₁ (первый такт работы прибора). Интервал интегрирования Т_И формируется следующим образом. В момент t₂ на один из входов схемы И с устройства управления подается сигнал, по которому с выхода схемы И на вход счетчика подаются импульсы с генератора опорной частоты, подаваемые на второй вход схемы И. Счет этих импульсов идет до полного заполнения счетчика. На рис. 10.4, a счетчик имеет четные декады, следовательно, счет идет до 10⁴ импульсов. После того как в счетчике зафиксируется 9999 импульсов, следующий десятитысячный импульс возвращает его в исходное состояние и с последней декады на устройство управления подается сигнал переполнения, по которому ключ Кл₁ устанавливается в положение 2.

В течение интервала Т_и состояние счетчика не переносится в запоминающее устройство и не индицируется на цифровом индикаторе.

Интервал интегрирования T_и = NT₀= N / f₀ (N - емкость счетчика) формируется из импульсов генератора опорной частоты, и его постоянство определяется стабильностью f₀.

Когда ключ Кл, переключится в положение 2 (момент t₃), на вход интегратора будет подаваться опорное напряжение u_on с полярностью, противоположной u_х (определяется положением ключа Кл₃). Начинается второй такт работы прибора, когда напряжение на выходе интегратора начинает уменьшаться от значения +u^/₁ до нуля (момент t₄). Момент u_инт = 0 определяет устройство сравнения, которое выдает импульс в устройство управления. Устройство управления снимает сигнал со схемы И, и импульсы с генератора опорной частоты на счетчик не подаются. Число импульсов N_x, подсчитанное счетчиком в интервале Т_х = t₄ - t₃, пропорционально u_х. Оно фиксируется в запоминающем устройстве и индицируется на цифровом индикаторе до прихода следующего импульса запуска.

На рис. 10.4, б показано, как изменяются напряжение на интеграторе и временной интервал Т_х для различных значений u_х - положительного u₁ (толстая линия), отрицательного u₁, (пунктирная линия), положительного u₂, в 2 раза превышающего u₁ (тонкая линия). Наклон интегратора (угол α) при разряде постоянен, так как постоянны напряжение и постоянная времени интегратора, это и дает возможность получить время разряда интегратора Т_х, пропорциональное u_х.

На рис. 10.4, б показан также процесс интегрирования u_х = u₂ + u_п. При равенстве периода помехи T_п и Т_и напряжение помехи u_n не оказывает влияние на значение u^/₂, а следовательно, на Т_Х2.

Погрешность измерения данным методом определяется нестабильностью u_оп нестабильностью порога срабатывания устройства сравнения, определяющего равенство u_инт = 0, влиянием остаточных параметров аналоговых ключей, коммутирующих u_х и u_оп, кратковременной нестабильностью f₀ и T_и.

Практически все современные ЦВ строятся на основе метода двойного интегрирования. ЦВ, реализованные на этом методе, имеют погрешность измерений 0,02 - 0,005%, подавление помех нормального вида 40-60 дБ, общего вида 100-160 дБ. С целью наибольшего подавления помех нормального вида с частотой сети (50 и 400 Гц) интервал интегрирования Т_и выбирают кратным периоду этой сетевой помехи Т_п (Т_и = nТ_п, n =1,2...). Для поддержания равенства T_и = nТ_п в ЦВ применяют систему автоподстройки частоты, которая поддерживает указанное равенство с требуемой точностью.

Для увеличения точности и быстродействия ЦВ двойного интегрирования применяют метод с переменной крутизной преобразования. В схему дополнительно вводится n устройств сравнения и n ключей, подключающих n источников опорного напряжения. В первом такте интегрирование u_х за интервал Т_и происходит так же, как было описано ранее, а во втором разряд интегратора происходит с различной скоростью за n + 1 последовательных интервалов длительностью T_i. При этом на первом интервале T_i к входу интегратора подключается наибольшее опорное напряжение, на последнем - наименьшее. Крутизну разряда напряжения интегратора определяют состояния устройств сравнения и ключей, подключающих опорные напряжения.

Методы с промежуточным преобразованием напряжения в частоту (частотно-импульсные методы), несмотря на сравнительную сложность реализации, используются в большой группе ЦВ и АЦП (В7-18, В7-25 и АЦП приборов Щ1611, Щ1612, НР33460А). Приборы, сконструированные на этих методах, обеспечивают погрешность измерения (преобразования) 0,1—0,005%, высокое подавление помех (нормального вида 40- 60 дБ, общего вида 100—160 дБ), высокую чувствительность (0,1-1 мкВ).

Обобщенная структурная схема ЦВ с преобразователем напряжения в частоту (u → f) приведена на рис. 10.5. По сигналу Запуск устройство управления устанавливает счетчик в нулевое состояние и запускает генератор образцовых «интервалов времени» с кварцевой стабилизацией частоты. Напряжение u_х через входное устройство подается на вход преобразователя u → f, выходная частота которого f_x пропорциональна u_х, и на один из входов схемы И. На второй вход схемы И подается образцовый интервал времени То. Число импульсов N_x с частотой f_x прошедшее на вход схемы И за интервал Т_о, фиксируется счетчиком и индицируется цифровым индикатором. Число импульсов, подсчитанное счетчиком, рассчитывается по формуле:

N_x = T₀f_x = k₁k₂T₀u_x, (10.3)

где k₁ и k₂ — соответственно коэффициент преобразования входного устройства и преобразователя u → x. Интервал Т_о формируется с высокой стабильностью, поэтому точность метода определяет нестабильность коэффициентов k₁ и k₂.

Рис.10.5. Обобщенная структурная схема ЦВ с преобразователем напряжения в частоту

Известно большое число схем преобразователей напряжения в частоту. В ЦВ наиболее широко используются преобразователи u → x с импульсной обратной связью, обеспечивающие значение выходной частоты, пропорциональной среднему значению u_х за интервал интегрирования. Преобразователи u → x , применяемые в ЦВ, обычно имеют f_x не более 0,5 МГц.

Структурная схема ЦВ с преобразователем u → x с импульсной обратной связью приведена на рис. 10.6, а. Принцип работы обобщенной ЦВ ясен из приведенного выше описания структурной схемы, поэтому рассмотрим работу только преобразователя u → x.

Рис. 10.6. Цифровой вольтметр с преобразователем напряжения в частоту с импульсной обратной связью: а — структурная схема; б — временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя

Постоянное напряжение их через входное устройство с коэффициентом преобразования k₁ подается на вход интегратора (УПТ, охваченный емкостной отрицательной обратной связью ООС) и интегрируется в течение времени T_и. Напряжение на выходе интегратора при положительной полярности их возрастает (рис. 10.6, б), а при отрицательной уменьшается. С выхода интегратора напряжение подается на один из входов сравнивающих устройств, на вторые входы которых подается опорное напряжение u_оп.

При равенстве напряжений на выходе интегратора и u_оп сравнивающее устройство срабатывает и включает преобразователь обратной связи (— при положительном u_х, + при отрицательном). Преобразователь ОС в течение времени f_о.с. подает на вход интегратора импульс с амплитудой u_о.с., вольтсекундная площадь которого u_o.c.t_o.c. = const и который возвращает интегратор в исходное состояние.

Покажем, что выходная частота f_х преобразователя при u → f равна f_x=1/(T_x+t_o.c.) зависит от u_x. Для процесса заряда и разряда интегратора при k₁ = 1 можно записать (10.4)

где R₁C и R₂C – соответственно постоянная времени цепи заряда и разряда интегратора.

При u_o.c. = const в результате интегрирования получим:

, (10.5)

откуда

. (10.6)

Следовательно, параметры преобразователя u→f не зависят от значений емкости С и опорного напряжения u_оп и определяются отношением сопротивлений резисторов R₂/R₁ и стабильностью вольт-секундной площади. Путем применения интегральной технологии или травления фольгированного резистивного материала получают высокую точность и стабильность отношения R₂/R_1.. В качестве формирователя стабильной вольт-секундной площади могут использоваться, например, два риггера, нагрузкой которых являются первичные обмотки импульсных трансформаторов с сердечниками, имеющими прямоугольную петлю гистерезиса. Питание триггеров осуществляется от высокостабильного источника. Формирователь вольт-секундной площади для повышения стабильности помещают в термостат.

Метод с промежуточным преобразованием напряжения в фазу. Структурная схема одного из вариантов ЦВ на основе этого метода приведена на рис.10.7, а. По сигналу Запуск устройство управления устанавливает счетчик в исходное (нулевое) состояние и выдает на формирователи Ф₁ и Ф₂ сигнал, синхронизирующий их работу. Формирователи Ф₁ и Ф₂ выдают импульсные сигналы момент прохождения через нулевое значение поступающих на них переменных напряжении u_оп и u_ф опорной частоты f_оп (рис. 10.7, б). Напряжение u_оп подается одновременно на формирователь 2 и через фазовращающее устройство, управляемое u_х, на Ф₁. Импульсы с Ф₁ и Ф₂ подаются на схему И, на один из входов которой подаются импульсы с частотой f₀ от генератора стабильной частоты. Схема И в течение времени T_φ, равного разности фаз между u_оп и выходным напряжением фазовращателя u_ф (Т_ф = t₂ –t₁), пропускает импульсы с частотой f₀ на счетчик. Число этих импульсов N_x = Т_фf₀ = kf_ou_x (к — коэффициент преобразования формирующего устройства).

Рис. 10.7. Цифровой вольтметр с промежуточным преобразователем постоянного напряжения в фазу: а — структурная схема; б — временные диаграммы, поясняющие работу вольтметра

Кодово-импульсные методы (методы поразрядного кодирования) чаще применяются при конструировании АЦП и реже ЦВ. Известно большое число этих методов. В преобразователях кодово-импульсного типа измеряемое напряжение u_х сравнивается с напряжениями компенсации u_ki, значения которых изменяются ступенями в соответствии со значениями разрядов выбранной системы счисления. В ЦВ u_ki изменяется обычно по двоично-десятичному коду, в АЦП — по двоичному, поэтому по окончании цикла cравнения , где n — число разрядов кода; q — напряжение, соответствующее единице младшего разряда; а_i — коэффициент, равный 1 или 0 в зависимости от результатов сравнения в каждом такте.

Кодово-импульсные ЦВ (АЦП) напряжения (тока) по принципу построения можно разделить на две группы:

а) выполненные в виде замкнутых систем со сравнением аналоговых величин и имеющие цепь обратной связи, охватывающую весь АЦП. В цепь обратной связи включен ЦАП, преобразующий параллельный код в напряжение (ток);

б) выполненные в виде разомкнутых систем без обратной связи, охватывающей весь АЦП.

Генератор тактовых импульсов имеет в своем составе устройство, формирующее две последовательности импульсов, одна из которых стробирует сигналы на входах сравнивающих устройств, а другая управляет работой регистров сдвига Р_г1, Р_г2. Первая последовательность импульсов задержана относительно тактовых импульсов ГТИ на время включения одного разряда ЦАП и срабатывания УС, а вторая — на время переключения разрядных триггеров Т_г1 — Т_г8.

У кодово-импульсных ЦВ погрешность составляет 0,05 — 0,001% и может быть получено высокое быстродействие. Основными составляющими погрешности кодово-импульсного метода являются погрешность ЦАП, погрешность от наличия порога чувствительности сравнивающих устройств, погрешность дискретности, определяемая числом разрядов кода.

В начальный период развития ЦВ кодово-импульсный метод широко применялся при их конструировании (Щ1514, Щ1412, Щ1312). Для подавления помех нормального вида кодово-импульсные ЦВ снабжаются фильтрами с подавлением 40-60 дБ, что резко снижает быстродействие (время одного измерения увеличивается на 2-5 с). В настоящее время кодово-импульсные вольтметры используются редко из-за распространения интегрирующих ЦВ. Кодово-импульсный метод используется в настоящее время только при реализации быстродействующих ЦВ (до 5000 преобраз./с).

При реализации АЦП кодово-импульсный метод используется широко.

Комбинированные методы преобразования за счет введения аппаратурной избыточности позволяют повысить точность, разрешающую способность и быстродействие ЦВ.

Обычно это достигается охватом прямой ветви ЦВ дополнительной цепью обратной связи на основе ЦАП. В прямой ветви комбинированные ЦВ имеют, как правило, интегрирующие АЦП невысокого класса точности, обеспечивающие высокое подавление помех. Из комбинированных методов, используемых при конструировании ЦВ, наибольшее применение нашли интегропотенциометрический и метод расширенной динамической шкалы Интегропотенциометрический метод основан на сочетании частотно-импульсного и кодово-импульсного методов, а метод расширенной динамической шкалы — время-импульсного и кодово- импульсного методов.