Ацп постоянное напряжение - интервал времени - цифровой код.

Рассмотрим сначала так называемый время - импульсный АЦП (рис. 5.11,а).

Схема работает циклами, которые задаются управляющим устройством. Управление может осуществляться вручную или автоматически.

В начале цикла в момент времени тактовый импульс от управляющего устройства запускает генератор образцового пилообразного напряжения (рис. 5.11,б). С ним сравнивается поступающее на вход измеряемое постоянное напряжение . Сравнивающее устройство фиксирует момент равенства этих напряжений появлением короткого импульса на выходе. Кроме этого, сравнивающее устрой­ство фиксирует равенство нулю пилообразного напряжения (момент ) также появлением импульса на выходе.

а)

Рис.5.11 Структура АЦП.

Импульс перебрасывает формирователь временного интервала (триггер) в положение, при котором временной селектор пропус­кает непрерывно поступающие на вход 2 счетные импульсы от генератора . Импульс на выходе сравнивающего устройства, фиксирующий равенство образцового пилообразного напряжения нулю, переводит формирователь в другое состояние, закрывая тем самым вход 1 временного селектора для прохождения счетных импульсов. Таким образом, та выходе временного селектора ока­жется m импульсов, соответствующих времени τ между двумя состояниями формирователя. Это время будет равно , где F - частота следования счетных импульсов, v - скорость из­менения пилообразного напряжения, [В/с], численно равная tg α.

Уравнение преобразовавши с погрешностью дискретности имеет вид . Для данного преобразователя отношение , его выбирают равным 10k (k=0, 1, 2, ...), так что . Входное постоянное напряжение прямо пропорцио­нально числу импульсов на выходе преобразователя.

Основные звенья структурной схемы АЦП являлись предметом изучения в курсе “Импульсные и цифровые устройства”. Здесь же рассмотрим лишь их основные особенности.

Генератор пилообразного напряжения должен вырабатывать линейно изменяющееся напряжение с коэффициентом нелинейности, не превышающим , и высокой стабильностью скорости нарастания напряжения. Для этой цели часто используются интеграторы на основе усилителей тока с глубокой отрицательной обратной связью. Используются также генераторы, работающие на принципе заряда конденсатора с большой постоянной времени.

Сравнивающие устройства строят на основе диодных схем. Применяют также дифференциальные усилители, состоящие из нескольких каскадов усиления. На разные входы дифференциально­го усилителя подают пилообразное напряжение и преобразуемое постоянное. При их равенстве на выходе появляется импульс.

Входное устройство предназначается для изменения пределов входной величины, фильтрации входного напряжения от фона, пере­ключения полярности и включает в себя аттенюаторы и дели­тели напряжения, фильтр нижних частот и переключатели. Дос­тоинством рассмотренного АЦП является простота.

Основной недостаток заключается в том, что необходимо обес­печить постоянство скорости нарастания напряжения во времени. Для этого требуется усложнять схемные решения, применять термостатирование, высокую стабилизацию напряжений. Недостат­ком является и низкая помехоустойчивость. Этот преобразователь преобразует мгновенное значение напряжения. Из-за наложения на преобразуемую величину помех длительность временного интер­вала τ будет претерпевать случайные отклонения, которые рас­сматриваются как погрешность преобразования.

Погрешность преобразования может быть оценена из рассмот­рения уравнения преобразования и работы схемы. Реали­зация относительной погрешности преобразования может быть записана , где δv - погреш­ность, обусловленная неточностью определения и нестабильностью скорости изменения образцового пилообразного напряжения; δF - погрешность, обусловленная неточностью определения и нестабиль­ностью частоты следования счетных импульсов; - погрешность дискретности; - погрешность, обусловленная порогом сравнивающего устройства; - погрешность формиро­вания временного интервала, обусловленная помехой.

Рис. 5.12 Структурная схема АЦП

Границы общей погрешнос­ти преобразования составляют у практических приборов ±0,1 % (например, АЦП вольт­метра ВК7-16).

Рассматриваемый ниже интегрирующий АЦП с время-импульсным преобразованием свободен от этих недостатков и является одним из самых рас­пространенных. Иногда его называют АЦП с двойным инте­грированием. Он преобразует среднее значение входного на­пряжения.

Управляющее устройство (рис. 5.12) вырабатывает последо­вательность прямоугольных импульсов калиброванной длительно­стью с крутыми фронтом и срезом и с длительностью паузы . Цикл преобразования составляет .

Переключатель фронтом импульса переключается в по­ложение 1. На вход интегратора подается преобразуемое входное напряжение и начинается заряд интегратора этим напряжением в течение калиброванного промежутка времени (рис. 5.13). В момент окончания импульса формирователь временного интервала коротким отрицательным импульсом переводится в состояние, при котором временной селектор начинает пропускать на выход постоянно поступающие на вход 2 счетные импульсы. Одновременно в момент окончания управляющего импульса переключатели и переходят в положение 2, и вход интегратора подключается к источнику образцового напряжения обратной полярности. Начиная с этого момента выходное напряжение интегратора будет изменяться в обратном направлении с постоянной скоростью, определяемой . Когда выходное напряжение интегратора достигает нуля, на выходе сравнивающего устройства появляется импульс, который переводит и в положение 1.

Рис. 5.13 Схема квантования.

Этим же импульсом формирователь временного интервала переходит в состояние, закрывающее временной селектор для счетных импульсов. За время τ через временной селектор пройдет m импульсов. Покажем, что число импульсов m будет пропорционально входному напряжению .

Напряжение на выходе интегратора по окончании импульса длительностью :

. (5.23)

К концу полного цикла выходное напряжение будет

. (5.24)

Отсюда, учитывая, что ,

. (5.25)

Входное напряжение оказывается прямо пропорциональным числу счетных импульсов. Постоянную с выбирают равной 10k, где k - целое число. Тогда . Следует обратить внимание, что величины, входящие в с - длительность управляющего импульса , частота следования счетных импульсов и постоянное напряжение , сравнительно легко выполнить высокостабильными во времени. Они могут быть измерены с высокой точностью.

Исследование работы АЦП показывает, что наиболее сильно проявляется помеха с частотой сети питания . В рассмотренном АЦП высокая степень подавления сетевой помехи достигается рациональным выбором интервала интегрирования “вверх”. При синусоидальной помехе полное подавление помехи имеет место при интервале интегрирования , равном или кратном периоду помехи.

Для уменьшения помехи вход интегратора переключается в моменты прохождения напряжения сети питания через нуль и в моменты равенства нулю выходного напряжения интегратора. Ге­нератор управляющих импульсов для этого синхронизируется напряжением сети питания.

Рассматривая уравнение преобразования и работу схемы АЦП с двойным интегрированием, выразим реализацию общей относительной погрешности преобразования виде

, (5.26)

где - погрешность, с которой известно образцовое напря­жение;

- погрешность дискретности;

- погрешность определения и нестабильности длительности управляющего импульса;

- погрешность, обусловленная определением и нестабиль­ностью частоты следования счетных импульсов;

- погрешность из-за изменения переходного сопротивления ключей и ;

- погрешность от нелинейности интегри­рования в обоих тактах (К - коэффициент усиления УПТ интегратора);

- погрешность, обусловленная дрейфом нуля УПТ интегра­тора;

- погрешность, обусловленная порогом устройства срав­нения.

Модификация такого АЦП реализуется в большинстве современных прецизионных цифровых вольтметрах. Цикл преобразования в нем начинается с разряда конденсатора током, пропорциональным входному напряжению за фиксированное время (сначала происходит интегрирование вниз). Затем конденсатор заряжается до исходного состояния. Интервал времени, в течение которого конденсатор заряжается, и является мерой входного напряжения. В современных АЦП этого типа используются интегральные схемы.

Погрешность преобразования при использовании метода двой­ного интегрирования менее 0,01 %.