1.1.5.2 Преобразователи напряжение-частота

    На базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости. Существует несколько видов ПНЧ. Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса. Структурная схема такого ПНЧ приведена на рис. 1.12. По этой схеме построена ИМС VFC-32 (отечественный аналог - 1108ПП1) [5].

Работает ПНЧ следующим образом. Под действием положительного входного сигнала U_вх напряжение U_и на выходе интегратора И уменьшается. При этом ключ S разомкнут. Когда напряжение U_и уменьшится до нуля, компаратор К переключается, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс стабильной длительности Т_и, который управляет ключем. Последовательность этих импульсов является выходным сигналом ПНЧ. Ключ замыкается и ток I_оп в течение Т_и поступает на вход интегратора, вызывая увеличение выходного напряжения интегратора. Далее описанный процесс снова повторяется.

Рис. 1.12 Структурная схема ПНЧ

    Импульсы тока I_оп уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением U_вх. В установившемся режиме

    Отсюда следует

(1.14)

   где U_вх.ср - среднее значение входного напряжения за период Т. Выражение (1.14) показывает, что точность преобразования определяется точностью установки опорного тока I_оп, точностью выдержки длительности импульса одновибратора Ти, а также точностью резистора R. Емкость конденсатора интегратора не оказывает влияния на частоту ПНЧ.

Рис 1.13 Блок-схема АЦП на основе ПНЧ

    Таким образом, по существу ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. Для его преобразования в двоичный позиционный можно использовать счетчик. Схема интегрирующего АЦП на базе ПНЧ приведена на рис. 1.13. Двоичный счетчик подсчитывает число импульсов, поступивших от ПНЧ за период Т_отсч=1/f_отсч, задаваемый отсчетными импульсами, которыми содержимое счетчика заносится в выходной регистр-защелку. Вслед за этим происходит обнуление счетчика. Число импульсов n, подсчитанных счетчиком за время Т_отсч,

    Здесь U_вх.ср - среднее значение входного напряжения за весь период Т_отсч.

В данном разделе были рассмотрены классические структуры преобразователей, тенденция их развития, достоинства и недостатки. В настоящий момент все они каким-либо образом используются в современных АЦП, которые мы рассмотрим в следующем разделе.

1.2 Структуры современных ацп

1.2.1 Тенденции развития современных ацп

В настоящее время широкое применение получили аналого-цифровые преобразователи, реализуемые в базисе БИС, в том числе АЦП двоичного поразрядного уравновешивания, которые составляют приблизительно 80% всего объема выпуска, интегрирующие - 15%, па­раллельного сравнения, со сравнением и вычитанием - 5% [14]. Одна­ко, как показал анализ указанных выше типов АЦП, они не обес­печивают необходимой совокупности качеств системной и проблемной ориентации: не гарантируют оптимального соотношения по точности и быстродействию; наиболее технологичные и широко применяемые АЦП двоичного поразрядного уравновешивания не реализуют потен­циального быстродействия используемой элементной базы. Сло­жившаяся ситуация, во многом вызвана механиче­ским переносом основных традиционных принципов построения "приборных" АЦП на многоканальные АЦП системного применения. а также копированием и массовым воспроизводством одних и тех же интегральных АЦП фирмами и предприятиями различных стран. По­этому разработка методов построения новых и усовершенствованных системных проблемно-ориентированных АЦП является актуальной за­дачей. Основные направления создания современных АЦП состоят в следующем:

Первое направление развития структур АЦП заключается в уско­ренном развитии устройств параллельных измерений. Параллелизм в измерениях является собирательным понятием и подразумевает все формы одновременной обработки. Параллельные архитектуры станут в ближайшем будущем преобладающими. По мнению ряда специалис­тов, появление и внедрение параллельных архитектур вызвало кардинальные изменения в технике обработки информации. Парал­лельные архитектуры обеспечивают достижение большой производи­тельности при низких ценах и образуют модульные расширяемые си­стемы. Среди различных типов параллельных архитектур перспек­тивным является переход к параллельной архитектуре на основе пото­ка данных (потоковая архитектура), эффективно использующей при­сущий измерениям параллелизм. Главным достоинством потоковой динамической архитектуры (ПДА) является то, что все измерительные ресурсы при наличии входных сигналов находятся в рабочем состоя­нии и осуществляют преобразования, благодаря чему максимальное количество измерений выполняется параллельно.

Второе направление заключается в построении адаптивных ЛЦП. Существующие ЛЦП имеют статическую архитектуру, которая исклю­чает любое изменение соединений между элементами или (функцио­нальными блоками (такие АЦП получили название АЦП с фиксиро­ванными связями). В архитектурах с фиксированными связями тополо­гия определяется во время разработки. Такие системы обеспечивают быстрое преобразование, обладают минимальным объемом апиара-турно-программного обеспечения, но имеют жесткие ограничения на параметры измеряемых сигналов и пропускную способность. Возрас­тание интенсивности поступающей информации, ее избыточность [9] привели к появлению адаптивных АЦП [16], подстраиваемых под ха­рактеристики входного потока, оптимизирующих пропускную способ­ность или метрологические характеристики. При этом более 90% полу­чаемой и обрабатываемой информации является избыточной с точ­ки зрения ее ценности для потребителя. Сокращение избыточности из­мерительной информации дает возможность существенно повысить производительность измерительных устройств, сократить стоимость АЦП и улучшить метрологические характеристики.

Следующее, третье, направление развития заключается в интел­лектуализации измерительной техники [17]. Интеллектуальные АЦП обеспечивают максимальную степень автоматизации измерений за счет наиболее гибкого осмысленного машинного учета всей суммы априор­ных данных об измерениях и шумовых процессах, а также данных о технических возможностях АЦП. Методы и средства искусственного интеллекта позволяют значительно облегчить работу человека с АЦ11 за счет резкого упрощении интерфейса, а также обладают свойством, ассоциируемым с "разумностью" [17] (способностью к обучению, логическому рассуждению и решению проблем), которое обеспечит восприятие и переработку измерительной и служебной информации не только на количественном, по и на качественном уровне, широкое ис­пользование методов обучения и самообучения, а также методов ана­логий, процедур принятия решений, прогнозирования и возможности анализа цепочек причинно-следственных связей. АЦП смогут сами синтезировать программное обеспечение на основе формулировки за­дач пользователя в любой форме. Именно эти возможности и способ­ность АЦП оценивать ситуации, делать выводы и принимать решения определяются термином "интеллектуальные".

Четвертое направление связано с переходом к структурам маги-стрально-модульного типа на базе ВС. С появлением концепции ВС [18 начались усиленные разработки сетевых структур измеритель­ных устройств и систем. Большое внимание специалистов в настоящее время привлечено к разработке стандартной объектовой шины (FildBus) [19], которая должна обеспечить взаимосвязь устройств в измерительных системах и стать звеном "замыкания" в иерархии ВС.

FildBusдолжна стать альтернативой традиционным системам связи типа "точка-точка". Такой стандарт обеспечивает' пользователю все преимущества обмена информацией в цифровой форме, а также спо­собствует сокращению расходов на линии связи и их монтаж благодаря последовательной передаче данных. Еще одним результатом примене­ния FildBus является расширение функциональных возможностей и повышение технических характеристик измерительных устройств бла­годаря тому, что такая шина позволяет использовать интеллектуаль­ные (т.е. со встроенными вычислительными средствами) преоб­разователи и датчики.