Методы преобразования напряжения или тока в частоту

Преобразователи напряжения или тока в код (ПНК) являются самыми распро­странен­ными среди всех видов аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Причем в су­ществующих ПНК используются все три классических метода преоб­разования: последова­тельного счета, поразрядного кодирования и считывания.

Наиболее простым являются ПНК, построенные по методу последовательного счета. Классическим примером этого метода является ПНК со ступенчатым пи­лообразным на­пряжением, которое вырабатывается обратным преобразовате­лем код-напряжение и сравнивается с преобразуемым напряжением Uх. Схема сравнения напряжений управ­ляет поступлением импульсов на счетчик, который своим выходом связан с ПНК. Однако, такие преобразователи напряжения в код в виду их малого быстродействия используется в основном в многоканальных системах. Остальные виды ПНК последовательного счета используют промежу­точное преобразование напряжения или тока в другую величину: чаще всего во временной интервал, период или частоту электрического сигнала.

Широкое распространение нашли ПНК с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал. Основными узлами такого преобразова­теля являются генератор напряжения (ГПН) и схема сравнения (СС). Импульс запуска поступает на ГПН, который начинает вырабатывать пилообразное на­пряжение. Одновременно счетчик начинает счи­тать импульсы, поступающие с генератора импульсов ГИ. В момент, когда пилообразно­возрастающее напряже­ние ГПН станет равным Uх, срабатывает схема сравнения СС, ко­торая остано­вит счетчик импульсов. Количество импульсов, подсчитанное счетчиком, будет пропорционально времени от запуска ГПН до момента равенства его линейно воз­растающего напряжения и Uх. В свою очередь это время линейно зависит от Uх.

Рассмотрим ПНК с промежуточным преобразованием в частоту, так как в на­стоящей ра­боте представлен один из видов этих устройств.

Большую группу преобразователей постоянного напряжения в частоту пред­ставляют устройства типа релаксационного или гармонического генератора, час­тота которого опре­деляется параметрами частотно-зависимой цепи.

Наибольшее распространение получили ПНК частотного преобразования, принцип дей­ствия которых основан на методе аналогового интегрирования. После импульса запуска напряжение их подается на вход линейного интегра­тора, а затем производится сравнение напряжения на выходе интегратора с не­которым постоянным напряжением. В момент ра­венства сравниваемых напря­жений устройство сравнения выдает импульс который воз­вращает интегратор в исходное состояние. Управляемый триггер меняет каждый раз свое состояние в моменты прихода сигнала со схемы сравнения. Частота переключения три­ггера будет обратно пропорциональна периоду интегрирования и прямо пропорцио­нальна измеряемому напряжению Ux [1] : UO=KòUxdt или Uo=TxUx ; fx=1\Tx=KUx\Uo ; где Uo-опорное напряжение, k-постоянная интегрирования.

Для устранения влияния обратного хода интегратора, используют схему с двумя работающими интеграторами. Интегрирующие ПНК обладают высокой помехоустойчивостью и точностью. При аналоговом интегрировании ввиду раз­личных статических характеристик сигнала и шума растет отношение сигнал/шум. Кроме того используя интегрирующие ПНК можно получать функциональную, например квадратичную, зависимость выходной час­тоты от входного напряже­ния.

Значительно более совершенным является метод компенсационного интегри­рования, обладающий высокой точностью [4]. В этих преобразователях вначале идет интегрирова­ние входного сигнала Ux , от исходного значения в течении не­которого времени, которое фиксируется переполнением счетчика : U2=U0+kòUxdt. Затем в течении некоторого времени t2 происходит уменьшение напряжения U2 с выхода интегратора до значения Uo за счет интегрирования эталонного напряже­ния Uэ, имеющего противоположную полярность:Uo=U2-kòUэdt. За время t2 в счет­чике будет зафиксирован код: N=fгt2, где fг-частота генератора им­пульсов ГИ. Если принять , что Uэ=const и Ux=const, t1=const, то U2=Uo+kUxt1, и Uo=U2-kUэt2. Отсюда t2=(U2-Uo)/(kUэ)=Uxt1/Uэ, т.е. N=Uxt1fг/Uэ - пропорционально входному на­пряжению.

Разновидностью преобразователя с компенсационным интегрированием яв­ляется пре­образователь напряжения в частоту с импульсной обратной связью. Такой тип преобразо­вателя, рассмотренный в настоящей работе, является наи­более перспективным.

3.3 Принцип действия преобразователя “ток-частота” с импульсной обратной связью.

На рис.2 приведена схема преобразователя “ток-частота” с импульсной обрат­ной связью, а на рис.3 приведены временные диаграммы его работы.

Процесс работы преобразователя описывается следующим образом. Преоб­разуемый ток iвх, протекая через интегрирующий конденсатор, заряжает его. Когда напряжение на конденсаторе Uc, достигнет величины срабатывания од­ного из пороговых устройств, имеющих разные уровни, последнее формирует выходной сигнал, поступающий на сиг­нальный вход соответствующего синхро­низатора. При этом очередной синхроимпульс эта­лонной длительности t, посту­пающий на такой вход синхронизатора, формирует на его вы­ходе сигнал той же длительности, управляющий реверсивным ключом. Реверсивный ключ откры­вается, и в течении интервала времени t через интегрирующий конденсатор про­те­кает эталонный ток iэ уровень которого поддерживается стабилизатором тока, а направление - противоположно преобразуемому току iвх.

При обеспечении условия iэ>iвх заряд и, следовательно, напряжение на кон­денсаторе начинают уменьшаться со скоростью, пропорциональной разности iэ-iвх, возвращая порого­вое устройство в исходное состояние. В конце интервала t в исходное состояние возвра­щаются синхронизатор и реверсивный ключ, а на­пряжение на конденсаторе вновь начинает возрастать до уровня срабатывания порогового устройства.

Выходные импульсы fвых формируются синхронизатором каждый раз одно­временно с подачей управляющего сигнала на реверсивный ключ.

Рассмотрим один цикл работы преобразователя в установившемся режиме между двумя соседними моментами и срабатывания порогового устройства, идеализируя работу узлов схемы и считая, что в течении рассматриваемого времени преобразуемый ток и уровни срабатывания пороговых устройств и ве­личина емкости интегрирующего конденса­тора остаются постоянными; эквива­лентное сопротивление утечки конденсатора и гальва­нически связанных с ним участков схемы равны бесконечности; значение и длительность обратной связи постоянны; между моментом срабатывания порогового устройства и от­крытием реверсивного ключа не существует задержки.

За время одного цикла преобразуемый ток вносит в интегрирующую емкость заряд, равный iвхTпр , где Tпр=t2-t1 -продолжительность цикла.

За этот же период эталонный ток “спишет” заряд, равный iэт t.

Так как за время одного цикла суммарный заряд емкости остается неизмен­ным, можно записать:

iвх Tпр=iэт t

Отсюда частота следования циклов f равна:

f=1/Tпр=iвх/iэтt=kпрiвх

Таким образом, преобразователь, построенный на рассматриваемой схеме, обеспечи­вает линейное преобразование тока в частоту следования импульсов (рис.4), т.е. имеем характеристику:

Как видим из характеристики в преобразователе имеется зона нечувствитель­ности (io) , величина которой в первом приближении равна току, протекающим через Rш - эквива­лентное сопротивление, шунтирующее конденсатор C при на­пряжении на конденсаторе, равным порогу срабатывания порогового уст­ройства.

io=Uny/Rш

где Uny- напряжение срабатывания порогового устройства;

Rш- эквивалентное сопротивление, шунтирующее конденсатор.

Эквивалентная схема шунтирования конденсатора будет состоять из парал­лельного включения (рис.5) сопротивлений:

Rут- сопротивление утечки конденсатора;

Rny - сопротивление утечки порогового устройства;

Rкл- сопротивление утечки реверсивного ключа.

Основные погрешности преобразователя следующие :

-погрешность за счет утечек интегратора, dинт

-погрешность за счет нестабильности стабилизатора,dст

-погрешность за счет нестабильности длительности импульса, dt

Общая погрешность преобразователя будет равна:

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

Содержание задания.

1) Снять характеристику преобразователя fвх=j(iвх) в диапазоне входных токов 4-40 мА при крутизне преобразования :

kпр=20 Гц/мА,40 Гц/мА, 80 Гц/мА , 160 Гц/мА , 320 Гц/мА.

2) Определить относительную погрешность преобразования в заданных точках.

3) Построить зависимость fвх=j ( iвх ) для каждого заданного значения kпр с учетом зоны не­чувствительности.

4) Построить зависимости d= j ( iвх ) для каждого заданного значения kпр

5) Сделать выводы по проделанной работе.

Описание установки

Блок-схема лабораторной установки состоит из следующих основных элемен­тов: задат­чика входного тока, интегратора, преобразователя тока, стабилизатора эталонного тока, формирователя импульсов заданной длительности t, миллиам­перметра для измерения входного и эталонного токов, блока питания.

Входной сигнал, имитирующий ток “электрической пружины” акселерометра, подается с задатчика входного тока на интегрирующий элемент, в качестве кото­рого используется конденсатор типа К77-1. Направление тока может изменяться с помощью переключателя “Полярность iвх “.

Установка величины входного тока производится ручками “Установка iвх “, “грубо”, “точно”. Величина входного тока контролируется миллиамперметром, установленном на передней панели установки, при установке переключателя “измерение” в положение “ iвх “.

С помощью внутреннего шунта верхний предел измерения микроамперметра расширен до 100 мА. Величина эталонного тока может регулироваться с по­мощью ручек “ iэт “, “грубо”, “точно”.

Контроль величины эталонного тока производится при переводе переключа­теля “измерение” в положение “ iэт “. Более точно измерение входного и эталон­ного тока может быть произведено с помощью внешнего многопредельного мил­лиамперметра, подклю­ченного к клеммам “внешний амперметр”. При использо­вании встроенного прибора между указанными клеммами должна стоять пере­мычка.

Величина импульса эталонной длительности t может дискретно изменяться в пределах от 31,25 мксек до 500 мксек переключателем “Установка t “.

В установке предусмотрена возможность визуального контроля работоспособ­ности установки с помощью осциллографа, подключаемого к клеммам “осциллограф”.

Выходная частота контролируется частотомером, подключенным к клеммам “частотомер”.