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).

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru

Рис. 10.1. Структурная схема АЦП с пространственным кодированием

Измеряемое напряжение ux 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 ux. 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: Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru , где k1 — коэффициент, связывающий ли­нейный размер L и значение кода; k2 — коэффициент, связывающий напряжение на пластинах uоткл и расстояние L, на которое перемещается линия пересечения луча с маской под действием этого напряжения; k3 — коэффициент усиления входного усилителя; Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru — единица младшего разряда.

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

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru

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 umах до значения umin. В момент равенства измеряемого напряжения uх, 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).

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru

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

Импульсы 4 и 3 соответственно с выходов УС1 и УС2 подаются на схему ИЛИ, на выходе которой формируется импульс Тх (Tx = t2 — t1 при положительном измеряемом напряжении и Тх = t3 — t2 при отрицательном), длительность которого пропорциональна входному измеряемому напряжению uх 5. Импульс длительностью Тх 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 Nx пропорционально длительности импульса Тх и, следовательно, измеряемому напряжению. Число импульсов Nx с выхода схемы И подсчитывается десятичным счетчиком и индицируется на цифровом индикаторе. Между числом импульсов Nx, зарегистрированных счетчиком, и измеряемым напряжением существует простое соотношение: Nx = Tx/T0 = ( f0/kl ) ∙ k2ux, где uх — входное напряжение; f0 — частота генератора опорной частоты; То = = 1/f0 — период опорной частоты; k1, = duлин/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 Nx точно соответствовало значению измеряемого напряжения. Например, uх = 1 В = 1000 мВ соответствовало Nx = 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 umin до umах (моменты Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru и Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru ). В этом случае при положительном их срабатывает сначала УС2, затем УС1. Чтобы моменты срабатывания устройств сравнения на участке Т3 не использовались для формирования Тx, 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 uх. 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 Тх осуществляется путем интегрирования сначала измеряемого uх, а затем опорного uоп, напряжений. В первом такте в течение времени Ти производится интегрирование входного напряжения uх, в результате чего напряжение на выходе интегратора

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru , (10.1)

где RС - постоянная времени интегратора;

t — независимая переменная величина (время).

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

В течение второго такта интегрируется опорное напряжение uоп, имеющее противоположную по отношению к uх 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

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru , (10.2)

а в конце этого периода Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru , откуда Тх = uхТИ/uоп. Преобразование временного интервала Тх в эквивалентное число импульсов Nx осуществляется так же, как и в описанном выше методе, — путем заполнения Тх импульсами генератора опорной частоты и подсчета их числа счетчиком Nx = uxTИfоп/uоп (fon~ частота генератора опорной частоты).

Интервал интегрирования ТИ формируется обычно путем заполнения счетчика импульсами от генератора опорной частоты и равен в этом случае ТИ = N/fon (N — емкость счетчика), тогда Nx = uxN/uon.

Из уравнения Tx = F(ux) видно, что временной интервал Тх, пропорциональный uх не зависит от постоянной времени интегратора RC, а зависит от значений uоп и Ти, 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 Nx не зависит от начального напряжения интегратора и долговременной нестабильности Ти и fоп.

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 uх 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 uх, например +u1.

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru

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 Tи, при этом напряжение на выходе интегратора uинт возрастает до значения +u/1 (первый такт работы прибора). Интервал интегрирования ТИ 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 Ти состояние счетчика не переносится в запоминающее устройство и не индицируется на цифровом индикаторе.

Интервал интегрирования Tи = 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 uon с полярностью, противоположной uх (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 uинт = 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 Nx, подсчитанное счетчиком в интервале Тх = t4 - t3, пропорционально uх. 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 Тх для различных значений uх - 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 Тх, пропорциональное uх.

На рис. 10.4, б показан также процесс интегрирования uх = u2 + uп. При равенстве периода помехи Tп и Ти напряжение помехи un не оказывает влияние на значение u/2, а следовательно, на ТХ2.

Погрешность измерения данным методом определяется нестабильностью uоп нестабильностью порога срабатывания устройства сравнения, определяющего равенство uинт = 0, влиянием остаточных параметров аналоговых ключей, коммутирующих uх и uоп, кратковременной нестабильностью f0 и Tи.

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 Ти выбирают кратным периоду этой сетевой помехи Тпи = nТп, n =1,2...). Для поддержания равенства Tи = nТп 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 uх за интервал Ти происходит так же, как было описано ранее, а во втором разряд интегратора происходит с различной скоростью за n + 1 последовательных интервалов длительностью Ti. При этом на первом интервале Ti 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 uх через входное устройство подается на вход преобразователя u → f, выходная частота которого fx пропорциональна uх, и на один из входов схемы И. На второй вход схемы И подается образцовый интервал времени То. Число импульсов Nx с частотой fx прошедшее на вход схемы И за интервал То, фиксируется счетчиком и индицируется цифровым индикатором. Число импульсов, подсчитанное счетчиком, рассчитывается по формуле:

Nx = T0fx = k1k2T0ux, (10.3)

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru

где k1 и k2 — соответственно коэффициент преобразования входного устройства и преобразователя u → x. Интервал То 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 uх за интервал интегрирования. Преобразователи u → x , применяемые в ЦВ, обычно имеют fx 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.

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru

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 Tи. 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 uоп.

При равенстве напряжений на выходе интегратора и uоп сравнивающее устройство срабатывает и включает преобразователь обратной связи (— при положительном uх, + при отрицательном). Преобразователь ОС в течение времени fо.с. подает на вход интегратора импульс с амплитудой uо.с., вольтсекундная площадь которого uo.c.to.c. = const и который возвращает интегратор в исходное состояние.

Покажем, что выходная частота fх преобразователя при u → f равна fx=1/(Tx+to.c.) зависит от ux. Для процесса заряда и разряда интегратора при k1 = 1 можно записать Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru (10.4)

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

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

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru , (10.5)

откуда

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru . (10.6)

Следовательно, параметры преобразователя u→f не зависят от значений емкости С и опорного напряжения uоп 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/R1.. 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 uоп и uф опорной частоты fоп (рис. 10.7, б). Напряжение uоп подается одновременно на формирователь 2 и через фазовращающее устройство, управляемое uх, 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 Tφ, равного разности фаз между uоп и выходным напряжением фазовращателя uфф = t2 –t1), пропускает импульсы с частотой f0 на счетчик. Число этих импульсов Nx = Тфf0 = kfoux (к — коэффициент преобразования формирующего устройства).

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru
Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru

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 uх сравнивается с напряжениями компенсации uki, значения которых изменяются ступенями в соответствии со значениями разрядов выбранной системы счисления. В ЦВ uki изменяется обычно по двоично-десятичному коду, в АЦП — по двоичному, поэтому по окончании цикла cравнения Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru , где n — число разрядов кода; q — напряжение, соответствующее единице младшего разряда; аi — 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 Рг1, Рг2. Первая последовательность импульсов задержана относительно тактовых импульсов ГТИ на время включения одного разряда ЦАП и срабатывания УС, а вторая — на время переключения разрядных триггеров Тг1 — Тг8.

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.

Интегропотенциометрический метод реализован в ЦВ Щ1611, Щ1612, НР3460А и др. Структурная схема ЦВ интегропотен - циометрического типа с преобразованием напряжения в частоту в прямой ветви и ЦАП напряжения в цепи обратной связи приведена на рис. 10.8. Основными узлами ЦВ являются преобразователь напряжения в частоту и ЦАП, определяющий его точ­ность. Цифро-аналоговый преобразователь выполняется на основе резистивных или индуктивных делителей напряжения, а также делителей на основе ШИМ. В качестве источника опорного напряжения в ЦАП используются нормальные элементы или прецизионные стабилитроны.

Измеряемое напряжение их через входной делитель подается на входной усилитель с переменным коэффициентом усиления. С выхода усилителя напряжение подается на вход преобразователя напряжение — частота (невысокой точности), частота выходных импульсов которого пропорциональна подаваемому на его вход напряжению. Работа ЦВ осуществляется в два такта. Алгоритм работы прибора обеспечивает устройство управления. В течение первого такта на вход преобразователя напряжение — частота подается напряжение uх. Схемы И1, И2 и ИЛИ открыты, и импульсы с преобразователя напряжение-частота подаются на старшие декады счетчика. В течение первого такта входное напряжение определяется неточно (с погрешностью преобразования напряжения в частоту 0,1 - 0,3%). Выходное напряжение ЦАП в течение интервала времени, пока идет заполнение старших разрядов, равно нулю.

В конце первого такта число импульсов, записанное в старших декадах счетчика, передается в ЦАП, где преобразуется с высокой точностью (0,005-0,0001%) в аналоговый сигнал. Напряжение, снимаемое с ЦАП, подается на вход вольтметра с полярностью, обратной полярности напряжения uх.

Лекция 10. Методы преобразования напряжения (тока) в цифровой эквивалент - student2.ru

Рис. 10.8. Структурная схема ЦВ интегропотенциометрического типа

К началу второго такта измерения разность напряжений uх и uцaп подается на входной усилитель, а затем на преобразователь напряжение — частота. Теперь преобразователь напряжение — частота выполняет задачу устройства сравнения, измеряющего разностное напряжение путем преобразования его в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна разностному напряжению. Импульсы с преобразователя напряжения в частоту в течение второго такта подаются на младшие разряды счетчика.

В конце второго такта числовой эквивалент измеряемого напряжения будет зафиксирован положением всех разрядов счетчика.

Рассмотрим на примере работу прибора при uх = 11,0010 В, числе старших декад счетчика, равном четырем, младших — двум и погрешности преобразования напряжения в частоту 0,3 %. Напряжение, измеренное в результате первого такта, равно 10,971 В (погрешность 0,3%). Результирующее число импульсов в старших декадах счетчика 1097 ± 1. Напряжение на выходе ЦАП uцап = 10,96 В. Разностное напряжение uх —uцап = 0,0410 В. Число импульсов в двух младших декадах счетчика, фиксируемое во втором такте, 409 ± 1 (погрешность 0,3 %). Общее число импульсов, зафиксированное счетчиком, равно 11009 + 1, и напряжение, индицируемое цифровым индикатором после второго такта,— 11,0009 В + 1 зн. Достоинство такой схемы — высокая точность при использовании преобразователя напряжения в частоту малой точности. Погрешность схемы определяется точностью и стабильностью опорного напряжения ЦАП.

Метод расширенной динамической шкалы реализован в ЦВ TR-6567 фирмы Таkeda Ricken.

В ЦВ и АЦП функцию аналого-цифрового преобразования все чаще выполняют микропроцессоры (МП). Это позволяет в ряде случаев существенно сократить объем устройства управления и совместить процесс преобразования с процессом предварительной обработки информации. При применении микропроцессорных средств вычислительной техники (МСВТ) упрощается и видоизменяется процесс разработки АЦП, который в значительной степени сводится к программированию. При таком построении АЦП в программное устройство микропроцессорной системы необходимо записать специальную подпрограмму, реализующую требуемый алгоритм аналого-цифрового преобразования и выполнить ее с помощью МП.

Алгоритм аналого-цифрового преобразования начинается сборкой периферийного интерфейсного адаптера. Эта операция нужна для того, чтобы определить, какие регистры и какие разряды регистров периферийного интерфейсного адаптера соответствуют шинам ЦАП и других узлов. После этого подготавливается память и устанавливаётся указатель разряда. Затем указатель поворачивается на одну позицию и проверяется, не последняя ли она, после чего данный разряд устанавливается в положение 1. После задержки, необходимой для срабатывания сравнивающего устройства, проверяется уровень на его выходе. Если выходное напряжение лог. 1, то 1 записывается в регистр периферийного интерфейсного адаптера и следует переход к следующему такту. Если сигнал на выходе устройства сравнения равен 0, данный разряд и соответствующий ему регистр периферийного интерфейсного адаптера устанавливаются в 0 и затем происходит переход к следующему такту. Задержка в петле «Да» нужна для выравнивания времени выполнения операций на обоих выходах этой части алгоритма. Время выполнения всей программы аналого-цифрового преобразования составляет 700 мкс.

Микропроцессоры используются для аналого-цифрового преобразования и в ЦВ двойного интегрирования. При этом программа аналого-цифрового преобразования получается проще. Отличительной особенностью АЦП двойного интегрирования с МП по сравнению с АЦП без МП является отсутствие устройства сравнения. Нулевым напряжением интегратора считается пороговое напряжение входа микропроцессора. Процесс преобразования состоит из трех операций: коррекции нуля, интегрирования напряжения ux в течение интервала интегрирования ТИ и интегрирования опорного напряжения uоп до момента, пока на выходе МП не будет зафиксировано, что выходное напряжение интегратора достигло порогового уровня. Опорное напряжение uоп с выхода 1 МП подается одновременно с запиранием ключа, выполненного на транзисторе V. Микропроцессоры в АЦП двойного интегрирования могут произвольно использовать время установки нуля (поскольку это время не ограничено жестко) для работы по основной программе.

Наши рекомендации