Достоинством ПНЧ является высокая разрешающая способность преобразований, поэтому они часто используются с датчиками, обладающими большим временем интегрирования (от секунд до нескольких лет), в преобразователях цифрового значения в частоту (в цифроаналоговых преобразователях (ЦАП)), в частотных модуляторах, делителях и умножителях. На входы ПНЧ поступает аналоговый сигнал датчика, который может быть либо напряжением, либо током (в последнем случае это уже будет преобразователь тока в частоту). В некоторых случаях датчик является частью АЦП (см. раздел 5.5). В данном разделе будут рассмотрены только ПНЧ, в которых величина напряжения определяется количеством прямоугольных импульсов в единицу времени. Частота может рассматриваться цифровым сигналом, поскольку всегда можно подсчитать импульсы в заданном интервале времени и представить полученное число в двоичном коде. Все ПНЧ являются преобразователями интегрирующего типа, поскольку их выходным сигналом является частота (количество импульсов в секунду), пропорциональная среднему значению входного напряжения.
На основе ПНЧ реализуются самые простые и экономичные АЦП. Время, требуемое на преобразование напряжения в цифровое значение, определяется максимальной частотой ПНЧи необходимым уровнем разрешения. Как правило, ПНЧ обладают сравнительно невысоким быстродействием по сравнению с АЦП последовательного приближения, однако они подходят для совместной работы с подавляющим большинством датчиков. Когда ПНЧиспользуется в качестве АЦП, он подключается к счетчику, тактируемому с заданной частотой отсчетов. Например, если верхний предел частоты преобразователя равен 32 кГц, а счетчик включается 8 раз в секунду, максимальное количество импульсов, посчитанных за один счетный период, составит 4000, что приблизительно соответствует разрешающей способности 12-ти разрядного АЦП (см. таблицу 5.2). Используя ту же самую комбинацию компонентов (ПНЧ и счетчик), можно реализовать интегрирующее устройство, применяемое в случаях, когда необходимо проводить измерения внешних сигналов в определенном интервале времени. В этом случае счетчик
5.4. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)
будет подсчитывать количество импульсов в течение заданного промежутка времени, а не среднее число импульсов за цикл счета.
Другое полезное свойство ГШЧ — простота передачи импульсов по линиям связи. Импульсные сигналы обладают большей помехоустойчивостью по сравнению с аналоговыми сигналами, имеющими высокое разрешение. В идеальном случае выходная частота преобразователя ƒout/ пропорциональна входному напряжению Vin , т.е. выполняется соотношение:
где ƒFSи VFS— максимальная частота и входное напряжение ГШЧ. Для линейного преобразователя отношение ƒFS/VFS =С, являющееся постоянной величиной, называется коэффициентом преобразования. Тогда
Существует несколько типов ПНЧ. Самые популярные из них построены на основе мультивибратора и схемы с уравновешиванием заряда.
ПНЧмулътивибраторного типа, показанный на рис. 5.23, реализован на основе асинхронного генератора прямоугольных импульсов, в котором ток заряда и разряда времязадающего конденсатора определяется входным сигналом. Входное напряжение Vwусиливается дифференциальным усилителем (например, измерительным усилителем), выходной сигнал которого используется для управления транзисторами U, и U2, являющимися преобразователями напряжения в ток. Прецизионный мультивибратор поочередно подключает времязадающий конденсатор С к обоим токовым преобразователям. В результате чего, конденсатор половину периода заряжается током iaчерез транзистор U, а вторую половину периода разряжается через транзистор U2tokom ibПоскольку величина токов ia и ib определяется входным сигналом, напряжение на конденсаторе во время заряда и разряда будет меняться с одинаковой скоростью, но с противоположным знаком. При этом на выходе мультивибратора формируется сигнал, частота которого пропорциональна
202 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы
входному напряжению. Достоинства этой схемы — простота и относительно низкая потребляемая мощность. Однако она обладает низким подавлением высокочастотных шумов, поэтому в случаях, где требуется высокая помехоустойчивость лучше применять схемы с уравновешиванием заряда.
В состав ПНЧ с уравновешиванием заряда входит аналоговый интегратор и компаратор напряжений (рис. 5.24). Достоинства этой схемы - высокое быстродействие, линейность и хорошее шумоподавление. Ряд фирм выпускают такие схемы в интегральном исполнении: например, ADVFC32 и AD650 (Analog Devices), а также LM331 (National Semiconductors). Такой ПНЧ работает следующим образом. Входное напряжение Vinпоступает на вход интегратора через резистор R Интегрирующий конденсатор включен в цепь ОС ОУ, выходной сигнал которого сравнивается с небольшим отрицательным пороговым напряжением —0.6 В. На выходе интегратора формируется пилообразное напряжение (рис. 5.26). В момент равенства напряжения интегратора и уровня порогового сигнала на выходе компаратора появляется перепад напряжения, запускающий одновибратор, вырабатывающий на своем выходе прямоугольный сигнал фиксированной длительности tos . Прецизионный источник тока вырабатывает постоянный сигнал, который попеременно подключается то ко входу интегратора, то к его выходу. Ключ S1выполняющий операцию переключения, управляется выходным сигналом одновибратора. При подсоединении источника тока ко входу ОУ интегрирующий конденсатор Cin
получает постоянный заряд ΔQ = i * tosНа тот же самый конденсатор через резистор Rin
поступает и входной ток Iin. В результате заряд на конденсаторе определяется суммой этих токов
.
Рис. 5.24. ПНЧ с уравновешиванием заряда
Когда выходное напряжение интегратора сравнивается с пороговым напряжением, запускается одновибратор и ключ S, меняет свое положение, т.е. начинается стадия восстановления (рис. 5.25Б). Во время этой стадии ко входу интегратора одновременно подключены и источник тока, и источник входного напряжения. Полный перепад напряжения на выходе интегратора за время стадии восстановления определяется длительностью импульса одновибратора:
5,4. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 203
Рис.5.25. Две стадии работы ПНЧс уравновешиванием заряда: интегрирования и восстановления.
По окончании импульса одновибрато-ра ключ S1 подключает ток i к выходу интегратора. Теперь этот ток никак не влияет на конденсатор Cin, однако при этом ток на входе компаратора уменьшается. Эта стадия называется стадией интегрирования (рис. 5.25Аи 5.26). Во время этой стадии происходит разряд конденсатора положительным входным током: Iin=Vin/Rin
со скоростью, пропорциональной величине напряжения Vin . Время, за которое напряжение на входе компаратора сравнивается с пороговым напряжением, находится из уравнения:
Из этой формулы видно, что величина конденсатора никак не влияет на длительность стадии интегрирования. Частота выходного сигнала определяется выражением:
Глава 5. Интерфейсные электронные схемы
Следовательно, частота импульсов одновибратора пропорциональна входному напряжению и зависит от качества интегрирующего резистора, стабильности генератора тока и одновибратора. При выполнении точного расчета можно реализовать ПНЧ такого типа, обладающий в диапазоне частот 1 Гц... 1 МГц погрешностью нелинейности 10х10-4.
Основным достоинством преобразователей интегрирующего типа является их способность подавления аддитивных шумов, поскольку при выполнении процедуры интегрирования уровень помех значительно снижается. Счетчик выполняет подсчет импульсов от преобразователя в течение заданного интервала времени Т. Счетчик ведет себя как фильтр с передаточной функцией вида:
гдеƒ— частота импульсов. На низких частотах значение этой передаточной функции близко к единице. Это значит, что преобразователь совместно со счетчиком выполняют корректные измерения. Однако на частоте 1/T передаточная функция равна 0, что означает полное подавление сигналов этих частот. Например, при интервале счета Т= 20 мсек, соответствующем частоте 50 Гц (частоте напряжения сети, которая часто является источником существенных помех во многих датчиках), 50-ти Гц шумы будут полностью устранены. Более того импульсы с частотами, кратными 50 Гц (100 Гц, 150 Гц,...), будут также подавлены.