Ацп с промежуточным преобразованием напряжения в частоту
Принцип работы АЦП этого типа основан на предварительном преобразовании напряжения в частоту следования импульсов, которая затем измеряется за фиксированный интервал времени, вырабатываемый в устройстве управления с помощью счетчика и выдается как цифровой эквивалент входного сигнала (рис.3).
Рис.3. Преобразователь «напряжение – частота»
Легко видеть, что такая процедура эквивалентна операции интегрирования входного сигнала за тот же фиксированный интервал времени, поэтому этот АЦП обладает такими достоинствами интегрирующих преобразователей, как малая статическая погрешность и высокая помехоустойчивость. Однако, быстродействие преобразования невысоко и исчисляется единицами и даже долями герца, что и определяет область его применения. Работа преобразователя описывается соотношением
N = FTизм = £UвхТизм (3)
где £ = CUвх – величина, обратная крутизне преобразователя напряжения в частоту, F – выходная частота преобразователя напряжения в частоту.
Как следует из (3), статическая погрешность АЦП данного типа определяется погрешностью преобразования напряжения в частоту и погрешностью задания интервала обычно из генератора эталонной частоты и счетчика, емкость которого обеспечивает требуемое значение Тизм. Любые отклонения эталонной частоты от значения, соответствующего идеальной характеристике квантования, будут приводить к изменению коэффициента передачи его реальной характеристики квантования, подобно тому, как это имеет место в АЦП с время-импульсной модуляцией чтобы эта составляющая существенно не увеличивала общую статическую погрешность, ее максимальное значение, имеющее место в конце диапазона, не должно превышать ~0,1h. Существующие методы стабилизации частоты позволяют сравнительно легко реализовать кварцевые генераторы эталонной частоты с относительной нестабильностью порядка 10-6 , которые можно использовать в рассматриваемых АЦП с числом разрядов до 16, 17, 18.
Из сказанного следует, что основным источником статической погрешности данного типа АЦП является преобразователь напряжение-частота. Его рабочая характеристика F = f(Uвх) при постоянном входном напряжении соответствует усредненной характеристике квантования всего АЦП. Ее полностью определяют такие общие с АЦП виды погрешностей, как отклонение коэффициента передачи от расчетного и его нелинейность в рабочем диапазоне входного напряжения, а также смещение канальной частоты относительно истинного или условного его нуля.
Структурная схема АЦП с преобразованием напряжения в частоту приведена на рис.4, где ИВС – источник входного сигнала, Uвх/F - преобразователь напряжение – частота, Сч – счетчик, ФИИ – формирователь интервалов времени.
Рис.4. Распространенный вариант преобразователя напряжение – частота
Процесс преобразования непрерывного сигнала в дискретные числовые значения (квантование по уровню) находит широкое применение в цифровых вольтметрах и других измерительных приборах. Простейшее устройство, которым осуществляется такое преобразование, можно собрать по схеме, приведенной на рис.3. Каждому уровню напряжения на входе преобразователя соответствует определенная частота следования импульсов.
Как видно из схемы, в мультивибраторе, собранном на транзисторах Т1 и Т4, в базовых цепях вместо обычных резисторов, определяющих (совместно с емкостью конденсаторов С1 и С2) частоту генерируемых импульсов, включены каскады на транзисторах Т2 и Т3 по схеме с общим коллектором. Постоянные времени разряда конденсаторов С1 и С2, определяющие частоту следования импульсов, оказываются зависимыми от внутренних сопротивлений управляющих транзисторов, а последние от величины и полярности приложенного напряжения. При увеличении положительного напряжения на входе – внутреннее сопротивление транзисторов уменьшается, постоянные времени базовых цепей уменьшаются, и частота повторения выходных импульсов увеличивается. При изменении напряжения в противоположную сторону, процесс в преобразователе повторяется в обратном порядке. Диапазон изменения входного напряжения лежит в пределах от -5 до +5В при сохранении линейной зависимости частоты следования от величины входного напряжения. Частота следования импульсов F (при нулевом входном напряжении) и коэффициент преобразования К определяются емкостями конденсаторов С1 и С2. Эти отношения приведены в таблице 1.