С замкнутым контуром

При подаче U_Х= на вход интегратора начинается разряд интегрирующего конденсатора от некоторого уровня Е (рисунок 4.19). Он продолжается до момента времени, пока выходное напряжение интегратора U_И не станет равно опорному напряжению U₀. В этот момент времени сработает компаратор К. При срабатывании компаратора К формируется импульс, который поступает на выход преобразователя, а по цепи отрицательной обратной связи (ООС) восстанавливает на выходе интегратора U_И = Е. По аналогии с формулой (4.22) этот процесс может быть описан уравнением

, (4.28)

где T_Х - время интегрирования.

После этого процесс интегрирования повторяется, т.е. становится циклическим. Таким образом, на выходе ПНЧ образуется периодическая последовательность импульсов, следующих с частотой

(4.29)

и реализуется требуемая функциональная зависимость (4.29).

Рисунок 4.19 – Временные диаграммы работы преобразователя

напряжение – частота

Частотно-импульсные АЦП имеют два основных источника погрешностей: погрешности, свойственные цифровому частотомеру; погрешности, вносимые ПНЧ из-за неточной установки и нестабильности значений Е, U₀ и t.

27 Преобразователи, реализующие кодоимпульсный метод преобразования (способ следящего уравновешивания)

В АЦП, реализующих кодоимпульсный метод преобразования, измеряемая величина преобразуется в цифровой код путем последовательного сравнения ее с рядом дискретных значений известной величины, изменяющихся по определенному закону. По принципу своей работы они являются неинтегрирующими преобразует их в преобразователи с усреднением исследуемого сигнала.

Уравновешивание в кодоимпульсных преобразователях может быть как развертывающим, так и следящим. При развертывающем уравновешивании U_Х= сравнивается с компенсирующим напряжением U_К, изменяющимся по определенной, заранее установленной и не зависящей от самого хода процесса уравновешивания программе. При следящем уравновешивании осуществляется дискретное слежение за любыми изменениями U_Х=, а цифровая следящая система обеспечивает уравнивание U_Х= и U_К. В свою очередь развертывающее уравновешивание может быть реализовано в виде двух алгоритмов: равномерное ступенчатое увеличение (или уменьшение) U_К до U_Х= = U_К и поразрядное уравновешивание U_К и U_Х=. Рассмотрим структурную схему АЦП, реализующую первый алгоритм и показанную на рисунке 4.20,а.

Т актовый импульс УУ сбрасывает на нуль показание счетчика, полученное во время предыдущего такта, и открывает селектор. Импульсы ГСчИ начинают поступать на счетчик, а также на вход генератора линейно-ступенчатого напряжения (ГЛСН), который и вырабатывает компенсирующее напряжение U_К, возрастающее по линейно-ступенчатому закону (рисунок 4.20,б). Длительность ступеньки определяется периодом следования импульсов ГСчИ T₀, а высота ступеньки ΔU_К определяет шаг квантования и соответственно младший разряд счета. Сравнение U_Х= и U_К осуществляется в компараторе К, который срабатывает при U_Х= = U_К и стоп-импульсом закрывает селектор. Поскольку ΔU_К = const, показание счетчика прямо пропорционально U_Х=.

а

б

Рисунок 4.20 - Структурная схема (а) и временная диаграмма (б),

характеризующие работу кодоимпульсного преобразователя

с линейно-ступенчатым изменением компенсирующего напряжения

Однако такие преобразователи применяются редко из-за малого быстродействия и невысоких метрологических характеристик (значение T_И, как видно из рисунка 4.20,б, получается большим и существенно возрастает при уменьшении ΔU_К). Лучшие результаты дает поразрядное уравновешивание.

Основными источниками погрешностей в кодоимпульсных преобразователях являются неточная установка и нестабильность параметров компаратора, ЦАП, ГЛСН и ГСчИ. В целом все рассмотренные модификации преобразователей постоянного тока имеют аналогичные метрологические характеристики. Основная погрешность лучших типов аналого-цифровых преобразователей не превышает ±(0,05 ... 0,1) %.

28 Преобразователи, реализующие кодоимпульсный метод преобразования (способ поразрядного уравновешивания)

В АЦП, реализующих кодоимпульсный метод преобразования, измеряемая величина преобразуется в цифровой код путем последовательного сравнения ее с рядом дискретных значений известной величины, изменяющихся по определенному закону. По принципу своей работы они являются неинтегрирующими преобразует их в преобразователи с усреднением исследуемого сигнала.

Уравновешивание в кодоимпульсных преобразователях может быть как развертывающим, так и следящим. При развертывающем уравновешивании U_Х= сравнивается с компенсирующим напряжением U_К, изменяющимся по определенной, заранее установленной и не зависящей от самого хода процесса уравновешивания программе. При следящем уравновешивании осуществляется дискретное слежение за любыми изменениями U_Х=, а цифровая следящая система обеспечивает уравнивание U_Х= и U_К. В свою очередь развертывающее уравновешивание может быть реализовано в виде двух алгоритмов: равномерное ступенчатое увеличение (или уменьшение) U_К до U_Х= = U_К и поразрядное уравновешивание U_К и U_Х=. Рассмотрим структурную схему АЦП, реализующую первый алгоритм и показанную на рисунке 4.20,а.

Лучшие результаты дает поразрядное уравновешивание U_К и U_Х= при изменении U_К в соответствии с двоичной системой счисления. Типовая структурная схема такого преобразователя приведена на рисунке 4.21,а.

Принципиальной особенностью преобразователей поразрядного уравновешивания является наличие цифроаналогового преобразователя (ЦАП). С его помощью реализуется ООС путем преобразования кода (например, 8421) в аналоговое напряжение U_К, которое затем сравнивается с U_Х= в компараторе. Это сравнение всегда начинается со старшего разряда (например, 8 В). Если при этом U_К < U_Х=, то компаратор не оказывает воздействия на УУ и оно следующим тактовым импульсом подключает очередной разряд ЦАП U_К (соответственно 4 В). Если теперь U_К > U_Х= (рисунок 4.21,б), то срабатывает компаратор и воздействует на УУ, которое снимает в ЦАП напряжение этого разряда (разряд пропускается). Далее в очередном такте подключается напряжение следующего за пропущенным разряда (2 В) и т. д. Процесс сравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов U_К в соответствии с алгоритмом развертывающего уравновешивания. Одновременно с переключением разрядов устройство управления УУ формирует двоично-десятичный код (рисунок 4.21,б).

Рисунок 4.21 - Структурная схема (а) и временная диаграмма (б), характеризующие работу кодоимпульсного преобразователя поразрядного уравновешивания

Рассмотренная схема кодоимпульсного преобразователя может реализовывать и следящее уравновешивание U_Х= и U_К. Разница заключается в алгоритме работы УУ. При следящем уравновешивании система отрабатывает не U_Х=, а разность ΔU = U_Х= - U_К, что повышает в ряде случаев точность и быстродействие преобразователей. Однако при этом появляется возможность возникновения автоколебаний в системе.

Основными источниками погрешностей в кодоимпульсных преобразователях являются неточная установка и нестабильность параметров компаратора, ЦАП, ГЛСН и ГСчИ. В целом все рассмотренные модификации преобразователей постоянного тока имеют аналогичные метрологические характеристики. Основная погрешность лучших типов аналого-цифровых преобразователей не превышает ±(0,05 ... 0,1) %.