Рис.20. Структурная схема ПНВ с заданным циклом преобразования.

ИНТЕГРИРУЮЩИЕ АЦП

Интегрирующие АЦП, в отличии от АЦП мгновенных значений, требуют минимальное число. точных компонентов, обладают высокой помехоустойчивостью, имеют более высокую разрядность, и низкую стоимость. Следует отметить, что в интегрирующих АЦП отсутствует дифференциальная нелинейность АЦ - преобразования. Вместе с тем, интегрирующие АЦП уступают АЦП мгновенных значений по быстродействию. Интегрирующие двухтактные АЦП строятся на базе преобразователей напряжение - частота (ПНЧ) или преобразователей напряжение - временной интервал (ПНВ) и преобразователей частоты или временного интервала в цифровой код. Построение преобразователей частоты или временного интервала в цифровой код, как правило, не вызывает затруднений. Поэтому метрологические характеристики интегрирующих АЦП в основном определяются качеством работы ПНЧ или ПНВ.

. Интегрирующие АЦП, построенные на основе ПНЧ

Интегрирующие АЦП с двухтактным интегрированием, построенные на основе ПНЧ. могут быть разделены на три большие группы: с заданным тактом преобразования, с заданной амплитудой преобразования и заданным интегралом преобразования.

ПНЧ с заданным тактом преобразования

Один из вариантов структурных схем ПНЧ с заданным тактом преобразования приведён на рис. 10. Устройство содержит: источник опорного напрояжения Uo, электронный ключ S1, интегратор на операционном усилителе AI и D - триггер (D1), выполняющий функции устройства сравнения и синхронизации с опорной частотой fo. Длительность такта компенсации интеграла от входного напряжения в ПНЧ задается с помощью периода сигнала опорной частоты fo, подаваемого на вход С триггера DI. Выходное напряжение интегратора AI сравнивается с пороговым знамением напряжения и_ж)р. и D входа триггера D1. Процесс уравновешивания входного напряжения и„хоз в ПЫЧ описывается выражением:

где: ri и ri - соответственно сопротивления резисторов RI. R2: fo - частота сигнала опорного генератора; Ц> *од- входное напряжение ПНЧ: Uo- выходное напряжение опорного источника Uo; Гных - выходное значение частоты ПНЧ.

Рис. 10. Структурная схема ПНЧ с заданным тактом.

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы ПНЧ с заданным тактом преобразования приведены на рис. 11.

Рис. 11. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы ПНЧ с заданным тактом преобразования.

Передаточная функция ПНЧ с заданным тактом преобразования определяется из выражения

Стабильность передаточной функции ПНЧ обеспечивается высокой стабильностью опорной частоты fo, формируемой с помощью кварцевого резонатора. Следует отметить, что на основе ПНЧ с заданным тактом преобразования возможно построение АЦП с разрядностью 16 - 20 бит.

ПНЧ с заданным интегралом преобразования

Один из вариантов структурных; схем ПНЧ с заданным. интегралом преобразования приведён на рис. 12. Устройство содержит: источник, опорного напрояжения U₀: электронный коммутатор S1; интегратор на операционном усилителе А1; компаратор А2; одновибратор, построенный с 'помощью логических элементов Dl, D2 и времязадающей цепи R3. C3. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы ПНЧ приведены на рис. 13..

Рис. 12. Структурная схема ПНЧ с заданным интегралом.

Принцип работы устройства основан на уравновешивании интегрального значения входного напряжения и_ИОд ПНЧ с помощью заряда, формируемого на конденсаторе С2. При подаче на вход ПНЧ положительного напряжения -выходное напряжение интегратора изменяется от +U_выхА1 до нуля. При формировании на выходе ОУ А1 нулевого напряжения происходит срабатывание компаратора А2. Выходной сигнал компаратора А2 запускает одновибратор (ждущий мультивибратор), выходной сигнал которого является выходным сигналом ПНЧ. и с помощью коммутатора S1 подключает заряженный

конденсатор С2 ко входу интегратора. В результате этого процесса выходное напряжение интегратора (А1) получает приращение напряжения UoС2/C1, a конденсатор С2 разряжается до нулевого потенциала. Резистор R1 служит для ограничения уровня напряжения на инвертирующем входе ОУ А1 при разряде конденсатора C1. Данный цикл преобразования повторяется с периодом выходного сигнала ПНЧ. Процесс уравновешивания в ПНЧ с заданным интегралом преобразования описывается выражением:

туе: ri - сопротивление резистора R1: Uвход - ходное напряжение ПНЧ; Uo -выходное напряжение опорного источника Uo; fвых - выходное значение частоты ПНЧ.

Рис. 13. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы ПНЧ с заданным интегралом преобразования.

Передаточная функция ПНЧ определяется из вышеприведенного выражения:

Из выражения передаточной функции следует, что для обеспечения стабильных характеристик ПНЧ в широком диапазоне температур и во времени, необходимо использовать стабильные конденсатор С2 и резистор R2. При использовании резисторов типа С2-29В (с температурным дрейфом 0, 07%/10°С) и конденсаторов типа К 10-23 или КСО (с температурным дрейфом 0, 12 %/10°С) можно спроектироваить АЦП на основе структур ПНЧ с заданным интегралом преобразования с разрядностью 10- 14 бит.

ПНЧ с заданной амплитудой преобразования

Преобразование напряжения в частоту с заданной амплитудой предполагает фиксированный диапазон изменения выходного напряжения интегратора при двухтактном интегрировании. Один из вариантов структурных схем ПНЧ с заданной амплитудой преобразования приведён на рис. 14. Устройство содержит: электронные ключи S1, S2. для переключения направления интегрирования; аналоговый инвертор (инвертирующий усилитель с коэффициентом передачи -1) на операционном усилителе А1; интегратор, на ОУ А2; триггер Шмитта, построенный с помощью компаратора A3, ключей S3 и S4 и источник двухполярного опорного напряжения Uo.

Рис. 14. Структурная схема ПНЧ с заданнаи интеграле*

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы ПНЧ с заданной амплитудой приведены на рис. 15. Изменение выходного напряжения интегратора на ОУ А2 лежит в диапазоне +Uo—-Uo. Амплитуда выходного напряжения интегратора задается величиной напряжения двухполярного опорного источника и контролируется компаратором A3. При срабатывании компаратора A3, управляющего работой ключей S1 и S2, происходит изменение знака входного напряжения интегратора и интегратор переключает направление изменения выходного напряжения. Это позволяет формировать пилообразное напряжение на выходе интегратора с фиксированной амплитудой.

Процесс уравновешивания в ПНЧ пнсывается выражением:

где: R₄ -сопротивление резистора R4; U_B_ход- входное напряжение ПНЧ; Uo -значение модуля выходного напряжения опорных источников Uo; fвых - выходное значение частоты ПНЧ. Функция преобразования ПНЧ заданной амплитудой преобразования определяется из выражения:

Из вышеприведенного выражения следует, что в передаточную функцию ПНЧ входит постоянная времени интегратора RaCi. Поэтому для обеспечения стабильных характеристик ПНЧ в широком диапазоне температур и во времени, необходимо использовать конденсатор С1 и резистор R4 с стабильными параметрами.

Рис. 1З. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы ПНЧ с заданной амплитудой преобразования.

В работе [I] приведен ПНЧ с заданной амплитудой без применения аналогового инвертора. При использовании резисторов типа С2-29В (с температурным дрейфом 0, 07%/10°С) и конденсаторов типа К 10-23, КСО (с температурным дрейфом 0, 12%/10°С) можно спроектировать АЦП на основе структур ПНЧ с заданной амплитудой преобразования с разрядностью 10-14 бит.

Интегрирующие АЦП, построенные на основе ПНВ

Интегрирующие двухтактные АЦП, построенные на основе ПНБ. могут быть

разделены на три большие группы: с заданным тактом преобразования, с

заданной амплитудой преобразования и заданным циклом преобразования.

ПНВ с заданным тактом преобразования

ПНВ с заданным тактом преобразования представляют собой устройства с двухтактным или многотактным интегрированием [2]. Принцип работы этих устройст основан на уравновешивании интегральных значений входного напряжения за длительность опорного временного интервала и напряжения опорного источника за длительность выходного временного интервала ПНВ. Иногда в ПНВ с заданным тактом преобразования вводят третий такт интегрирования, предназначенный например для компенсации влияния напряжения смещения ОУ интегратора или с целью повышения быстодействия [3]. Один из вариантов структурных схем ПНВ двухтактного интегрирования с заданным тактом преобразования приведён на рис. 16. Устройство содержит: источник опорного напряжения Uo: электронные ключи S1 и S2; интегратор, построенный на операционном усилителе Al, R1 и С1; компаратор А2: блок управления БУ. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы ПНВ приведены на рис. 17. Алгоритм работы ПНВ состоит из двух тактов. В первом такте преобразования блок управления замыкает ключ S2 сигналом опорного временного интервала То. За время длительности опорного временного интервала То выходное напряжение интегратора (А1) получает приращение напряжения: U вюдТ o/RiCi. После окончания временного интервала То. происходит размыкание ключа S2. Во втором такте преобразования блок управления замыкает ключ S1, подключая вход интегратора к источнику опорного напряжения Uo. Выходное напряжение интегратора изменяет направление интегрирования и при достижении на выходе интегратора нулевого напряжения срабатывает компаратор А2. Во втором такте преобразования выходное напряжение интегратора получает приращение: UoTx/R1C1. Из алгоритма работы ПНВ и временных диаграмм следует, что амплитуды приращений напряжений интегратора в первом и втором тактах преобразования равны. Поэтому, алгебраически приравняв амплитуды приращений выходного напряжения интегратора, получим функцию преобразования ПНВ:

где: Тх - выходной временной интерывал ПНВ; То - длительность опорного временного интервала: Uo -напряжение опорного источника; U_вход_t - входное напряжение ПНВ.

Рис. 16. Структурная схема ПНВ двухтактного интегрирования с заданным тактом

преобразования.

Рис. 17. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы ПНВ двухтактного

интегрирования.

Основным достоинством этого типа ПНВ является отсутствие точных пассивных электронных компонентов, а к недостатку следует отнести наличие ключа во входной цепи. Основные характеристики интегральные АЦП, построенных на основе ПНВ с заданный тактом преобразования, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью приведены в таблице.

Следует отметить, что параметры пассивных элементов интегратора в первом приближении не входят в функцию преобразования ПНВ с заданным тактом

преобразования, но линейность преобразования в значительной степени зависит от величины абсорбции используемого в интеграторе конденсатора.

Основные xapaктеристики интегральных микросхем АЦП_У построенных на основе ПНВ с заданым тактом преобразования, приведены в таблице.

Тип микросхемы	число разрядов	Время преобразования	нелинейность преобразования
К 572 ПВ 2	3, 5 дит	70 мс	0, 03 %
К 572 ПВ 5	3, 5 дит	70 мс	0, 03 %
ISL7107	3, 5 дит	70 мс,	0, 03 %
ISL7106	3, 5 дит	70 мс	0, 03 %
AD 7550	13 бит	60 мс	0, 03 %
К1108ПП2 К 572 ПП2	17 бит	600 мс	0, 003 %
ISL 8068 ISL7104	17 бит	600 мс	0, 003 %

Применение конденсаторов с лавсановым, полистиролъным и полипропиленовым диэлектриком позволяет обеспечить нелинейность преобразования на уровне 0, 01 - 0, 002 %. При построении ПНВ могут быть рекомендованы конденсаторы

отечественного производства следующих типов: K73-16, К73-17, К71-4, ТС71-5 и т. д..

ПНВ с заданной амплитудой преобразования

Принцип работы ПНВ с заданной амплитудой' преобразования основан на (аналогично ПНЧ с заданной амштитудой преобразования) на стабилизации амплитуды выходного пилообразного напряжения-интегратора при двухтактном интегрировании. ПНВ с заданной амплитудой редко применяются при построении АЦП. Это обусловлено влиянием емкости конденсатора интегратора на выходной временной интервал ПНВ. Для устранения этого недостатка; измеряют длительность двух выходных временных интервалов ПНВ в течении одного периода выходного сигнала. Затем определяют их разность и сумму: Выходной числовой параметр ПНВ определяют в результате деления разности выходных временных интервалов T1, Т2 на их сумму. Один из вариантов структурных схем

Рис. 18. Структурная схема ПНВ с заданной амплитудой преобразования.

ПНВ с заданной амплитудой преобразования приведён на рис. 18. Временная диаграмма выходного напряжения интегратора, поясняющая принцип работы ПНВ с заданной амплитудой приведена на рис. 19. Амплитуда выходного напряжения интегратора на ОУ А1 задается с помощью пороговых напряжений триггера Шмитта: ± UoR3/R4, построенного на компараторе А2.

Рис. 19. Временная диаграмма выходного напряжения интегратора, поясняющая принцип работы ПНВ с заданной амплитудой преобразования.

С учетом вышеизложенного, передаточная функция ПНВ с заданной амплитудой преобразования, определяется из выражения [1]:

где: T1 и T2 - соответственно временные интервалы, снимаемые с выхода компаратора А2. Необходимо отметить, что среднее значения напряжения на конденсаторе С1 интегратора равно нулю. Поэтому, абсорбция конденсатора С1, в первом приближении не влияет на линейность функции преобразования ПНВ.

ПНВ с заданным циклом преобразования

Впервые ПНВ с заданным циклом преобразования были предложены в цифровых вольтметрах японской фирмы " Екогава денки". ПНВ с заданным циклом преобразования в настоящее время обеспечивают максимальную точность преобразования среди известных типов ПНВ. Они включают в себя все положительные свойства ПНВ с заданной амплитудой преобразования. Принцип работы ПНВ с заданным циклом преобразования предполагает задание длительности общего цикла двухтактного интегрирования с помощью внешнего генератора с кварцевым резонатором. Этот позволяет обеспечить высокую стабильность параметров, входящих в передаточную функцию ПНВ. Один из вариантов структурных схем ПНВ с заданным циклом преобразования приведён на рис. 20. ПНВ содержит: двухполярный источник опорного напряжения Uo; коммутатор S1; интегратор, построенный на ОУ А1, компаратор А2; устройство формирования напряжения развертки C2. R3, R4, C3.

где: Ti, Т: - выходные временные интервалы ПНВ, причём Ti + ti — То; То - период опорной -частоты fo.

Рис. 20. Структурная схема ПНВ с заданным циклом преобразования.

В вышеприведенной структурной схеме ПНВ экспоненциальное напряжение развертки формируется апериодическим звеном первого порядка R4. C3. Дифференцирующее звено C2, R3 убирает-постоянную составляющую из меандра опорной частоты fo. Временная диаграмма напряжений на входах компаратора А2 приведена на рис. 21. Процесс уравновешивания в ПНВ описывается выражением:

где: T1, Т1 - выходные временные интервалы ПНВ, причём T1+T2=T0; То - период опорной -частоты fo

Рис. 21. Временая диаграмма, поясняющая работу ПНВ с заданным циклом

преобразования.

С учетом вышеизложенного можно записать функцию преобразования ГШВ:

то есть заполняя импульсами опорной частоты временной интервал ti - Т2 можно определить значение напряжения Uвход. Для решения этой задачи применяют реверсивный счетчик или микропроцессор, суммирующий импульсы опорной частоты за временной интервал Ti и вычитающий эту частоту за временной интервал Т:.

На основе ПНВ с заданным циклом преобразование возможна реализация АЦП с разрядностью до 22 и более бит.