материалы за 2021г / литературные источники / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

напряжение интегратора достигает нуля, компаратор вырабатывает импульс сброса триггера u4. Таким образом, на выходе триггера формирует-

ся прямоугольный строб-импульс u5, длительность которого равна Tx и пропорциональна измеряемому напряжению. Длительность u5 определяется из уравнения:

Измерив длительность импульса Tx = Tсч методом дискретного счета, описанным ранее, получим показания вольтметра в виде

N Tх fкв = Ux n = 10k Ux .

U0

Коэффициент деления частоты и значение опорного напряжения выбирают кратными 10, поэтому показания на индикаторе равны (с учетом положения запятой) среднему значению измеряемого напряжения. Из формулы следует, что значения тактовой частоты и постоянной интегрирования RC не влияют на результат. Поэтому в качестве тактового генератора может быть использован простой генератор импульсов без особых требований к его стабильности.

Рис. 3.7. Временные диаграммы АЦП двойного интегрирования

Вольтметр с двойным интегрированием измеряет среднее значение напряжения за время T1 поэтомувлияние напряжения помехи, попадающе-

го на вход, может быть ослаблено. Как было показано в гл. 1, переменное

83

напряжение, период которого кратен времени T1, подавляется практически полностью. Поэтому выбирают тактовую частоту такой, чтобы T1 было бы равным или кратным периодупромышленной частоты 20 мс.

Основныесоставляющиепогрешности АЦП двойного интегрирования:

•погрешность установки опорного напряжения и его нестабильность;

•погрешность интегратора, проявляющаяся в нелинейности напряжения на его выходе;

•погрешность сравнения напряжения в компараторе;

•погрешность дискретности при измерении длительности Tx.

Вольтметры двойного интегрирования – наиболее популярная разновидность цифровых вольтметров и мультиметров. Основные их достоинства – простота, высокая помехоустойчивость при достаточной точности.

Цифровые вольтметры с преобразованием напряжения в частоту

Вольтметры такого типа также относят к интегрирующим приборам. Структурная схема преобразователя «напряжение–частота» (ПНЧ) представлена на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Преобразователь «напряжение–частота»

В ПНЧ также используют двойное интегрирование. Под действием положительного входного сигнала Ux напряжение u2 на выходе интегра-

тора уменьшается (рис. 3.9). Когда напряжение u2 достигает значения отрицательного опорного напряжения – U0, компаратор вырабатывает импульс запуска одновибратора u3. Одновибратор формирует отрицательный импульс стабильной длительности τи, амплитуда которого фиксирована и всегда больше входного напряжения (Um > Ux). Напряжение этого импульса складывается с входным напряжением, поэтому напря-

84

Рассмотрим временные диаграммы сигналов преобразователя (рис. 3.9). Максимальное по абсолютному значению напряжение u2 на

выходе интегратора в установившемся режиме равно:

Напряжение в конце импульса одновибратора ( t = T1 + τ и ) равно начальномунапряжению:

f x = 1Tх = 1(T1 + τ и) , получим уравнение преобразования «напряжение– частота»:

Частоту выходных импульсов преобразователя затем измеряют методом дискретного счета встроенным или внешним частотомером.

85

Точность преобразования определяется:

•стабильностью параметров импульса одновибратора;

•точностью установки отношения резисторов интегратора R1 и R2;

•погрешностью компаратора;

•погрешностью дискретности частотомера.

По сравнению с АЦП двойного интегрирования данный тип преобразователя имеет большее быстродействие.

Цифровые вольтметры с АЦП типа «сигма-дельта»

АЦП вольтметров такого типа похожи на преобразователи «напряже- ние–частота», однако отличаются более высокой точностью и хорошей помехоустойчивостью. Своим названием эти преобразователи обязаны наличием в них двух блоков: сумматора-вычитателя (операция ) и интегратора (операция Σ).

Основные узлы АЦП – это сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр низкой частоты. Модулятор преобразует входное напряжение Uвх

в последовательность битов. Общая схема сигма-дельта модулятора приведена на рис. 3.10.

ЦАП

=

#

Рис. 3.10. Структурная схема сигма-дельта модулятора

Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала Uвх

величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Рассмотрим наибо-

86

лее простую реализацию преобразователя, в которой используют однобитные сигма-дельта модуляторы. В них в качестве АЦП используется простой компаратор, а в качестве ЦАП – аналоговый коммутатор опорного напряжения разной полярности (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Структурная схема однобитного сигма-дельта АЦП

Измеряемое напряжение Uвх подается на сумматор, где из него вычитается опорное напряжение +Uоп или −Uоп. Интегратор формирует пило-

образное напряжение, наклон которого зависит от напряжения на выходе сумматора. Как только пила пересекает уровень нуля, срабатывает компаратор. С выхода компаратора сигнал поступает на тактируемый с частотой fтакт триггер. Частота тактирования определяет время шага работы

модулятора и, в конечном итоге, время преобразования. Далее сигнал поступает на аналоговый ключ, который, коммутируя +Uоп и −Uоп , замы-

кает обратную связь модулятора. Наклон пилообразного напряжения при переключении коммутатора меняется на противоположное (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Напряжение на выходе интегратора сигма-дельта АЦП

87

Таким образом, в модуляторе коммутатор управляется напряжением на выходе триггера, которое представляет собой последовательность нулей и единиц. Если входное напряжение модулятора равно нулю, то выходное напряжение интегратора будет симметричным, треугольной формы. На выходе триггера количество единиц и нулей будет одинако-

во. При Uвх = −Uоп на выходе триггера будут одни нули, при Uвх = +Uоп – одни единицы. В общем случае при −Uоп < Uвх < +Uоп среднее количество единиц пропорционально Uвх.

Поясним работу модулятора на примере Uоп = 2В; Uвх =1В. Выберем

постоянную времени интегратора равной периоду тактовой частоты. За это время напряжение на выходе интегратора становится равным напряжению на его входе (см.рис. 3.12). В моменты тактирования триггера напряжение на выходе интегратора принимает значения:

0+(1−2) =−1; => «0» −1+(1+2) = 2; => «1» 2+(1−2) = 1; => «1» 1+(1−2) = 0; => «1» 0+(1−2) =−1; => «0» −1+(1+2) = 2; => «1» 2+(1−2) = 1; => «1»

Для формирования выходного кода всего АЦП необходимо преобразовать получаемую последовательность бит в двоичный позиционный код. В простейшем случае это можно сделать с помощью двоичного счетчика. Возьмем 8 импульсов полученной последовательности 0,1,1,1,0,1,1,1. Сумма равна 6. Это и есть относительный уровень входного сигнала. Весь диапазон его (–2В...+2В) равен равен 4В, уровень нуля

(+U оп − (−U оп)) / 2 = 2В. Соответственно, значение входного сигнала равно 4В 0.75− 2В= +1В.

Можно представить выходное напряжение тригера как цифровой сигнал прямоугольной формы. Для определения его среднего значения перед суммированием результирующую цифровую последовательность подают на цифровой фильтр нижних частот для подавления компонентов шума квантования и сглаживания внешних помех. Для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была бы во много раз меньше тактовой частоты работы сигма-дельта модулятора.

Усреднение результатов на большом интервале времени позволяет уменьшить погрешность, вносимую шумами, а следовательно увеличить разрешающую способность вольтметра. Для увеличения точности преобразования используют многоразрядные сигма-дельта АЦП и цифровые фильтры высокого порядка.

88

Преимущества сигма-дельта преобразователя:

•высокая точность (до 24 разрядов), обусловленная низким уровнем собственного шума.

•линейность характеристики преобразования сигма-дельта АЦП. Она выше, чем у АЦП двойного интегрирования, поскольку интегратор здесь работает в более узком динамическом диапазоне;

Емкость конденсатора интегратора у сигма-дельта АЦП значительно меньше, чем у АЦП двойного интегрирования. Конденсатор может быть изготовлен прямо на кристалле ИМС, поэтому сигма-дельта АЦП практически не имеет внешних элементов. Это существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате, и снижает уровень шумов.

Сигма-дельта АЦП высокого разрешения имеют развитую цифровую часть, включающую микроконтроллер. Это позволяет реализовать режимы автоматической установки нуля и самокалибровки, сохранять калибровочные коэффициенты в флеш-памяти.

Цифровые вольтметры с АЦП последовательного счета

Этот тип вольтметра использует последовательный АЦП, который состоит из компаратора, двоичного счетчика и цифроаналогового преобразователя (ЦАП) (рис. 3.13).

Старт u1

ЦАП

=

#

Рис. 3.13. АЦП последовательного счета

На один вход компаратора поступает измеряемое напряжение, на другой – сигнал обратной связи u4 с выхода ЦАП. АЦП запускается старто-

вым импульсом u1, который сбрасывает счетчик в нулевое положение и устанавливает триггер строба временного селектора u2 в единичное состояние (рис. 3.14).

89

Время преобразования Tизм, равное длительности строб-импульса,

пропорционально входному напряжению. Его максимальное значение при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов fкв:

= (2N − 1) .

Tизм fкв

90

Например, при N = 10 и fкв = 10 МГц время измерения Tизм = 102.4 мкс, что обеспечивает порядка 104 преобразований в секун-

ду. Частоту счетных импульсов необходимо выбирать, исходя из быстродействия ЦАП.

Погрешность преобразования последовательного АЦП определяется суммарной погрешностью используемых ЦАП и компаратора. На результат преобразования влияет изменение (пульсация) входного напряжения. Это означает, что АЦП данного типа без устройства выборки-хранения на входе пригодны для работы с постоянными или медленно изменяющимися напряжениями. Вольтметры такого типа обладают низкой помехоустойчивостью.

Достоинством рассмотренных вольтметров является сравнительная простота схемы; недостатком – переменное время измерения, определяемое последовательным характером выполнения преобразования.

Цифровые вольтметры с АЦП последовательного приближения

Вольтметры с АЦП такого типа (называемым также АЦП с поразрядным уравновешиванием) являются наиболее распространенным вариантом быстродействующих вычислительных ЦВ. В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип последовательного сравнения измеряемого напряжения с 1/2, 1/4, 1/8 опорного напряжения. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций)

вместо 2N − 1 при использовании АЦП последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии.

Рассмотрим работу АЦП последовательного приближения на примере 6-разрядного преобразователя, состоящего из компаратора, ЦАП и регистра последовательного приближения RG (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Структурная схема АЦП последовательного приближения

91

На вход D регистра поступает сигнал с компаратора. Вход С – вход тактовых импульсов с генератора, вход S – стартовый импульс. С приходом первого тактового импульса регистр последовательного приближения принудительно устанавливает на входе ЦАП код, равный половине

его шкалы (для 6-разрядного ЦАП это 25 = 32). При этом напряжение на выходе ЦАП:

U ЦАП = 25 U ,

где U – квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда результата преобразования (рис. 3.16).

Старт

и1

t

и2

Ux

Рис. 3.16. Временные диаграммы 6-разрядного АЦП последовательного приближения

Если входное напряжение больше, чем UЦАП, то на выходе компара-

тора устанавливается 1; если меньше, то 0. В последнем случае регистр переключает старший разряд обратно в состояние нуля. На следующем такте преобразования процесс сравнения повторяется для следующего (более младшего) разряда и т. д. После шести подобных шагов в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, являющееся кодом входного напряжения Ux с точностью до U.

Быстродействие АЦП данного типа определяется выбранной разрядностью и суммой времени установления ЦАП, переключения компаратора и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения. В современных АЦП последовательного приближения быстродействие достигает 0.1…10 млн преобразований в секунду. Для эффективного использования АЦП такого типа между его входом и ис-

92