Преобразование напряжения постоянного тока в частоту импульсов.

Принцип функционирования типового преобразователя напряжения постоянного тока в частоту импульсов представлен на схеме, изображенной на рис.VI.3. В основе схемы преобразователя лежат два операционных усилителя: ОУ1, который используется в качестве интегратора, и ОУ2, работающий в режиме регенеративного компаратора. Регенеративный компаратор представляет собой устройство, которое в зависимости от полярности входного напряжения порогового уровня может находиться только в двух устойчивых состояниях: с положительным максимальным выходным напряжением и отрицательным максимальным выходным напряжением .

Пусть выходное напряжение преобразователя . В этом случае диодVD заперт и напряжение на выходе ОУ1 - под воздействием

Рис.VI.3. Простейшая схема преобразователя напряжения постоянного тока в

частоту повторения импульсов.

положительного входного напряжения U_вх линейно уменьшается со скоростью, определяемой величиной U_вх. Когда это напряжение достигнет порога срабатывания регенеративного компаратора, он переключается в другое возможное состояние с U_вых= . Это напряжение открывает диодVD и, поскольку R₂<<R₁, происходит быстрый заряд конденсатора С и повышение до порога срабатывания регенеративного компаратора в другое устойчивое состояние, с выходным напряжением , которое снова запирает диодVD. Снова начинается медленный линейный разряд конденсатора С входным напряжением U_вх и цикл повторяется.

Моменты срабатывания компаратора определяют моменты появления на выходе U_вых коротких импульсов, длительность которых определяется гистерезисом регенеративного компаратора, а частота их появления входным напряжением U_вх. Эта частота может быть оценена выражением

.

Преобразование напряжения постоянного тока в число импульсов.

В последнее время весьма интенсивно развиваются преобразователи напряжения постоянного тока в число импульсов, так называемые сигма-дельта модуляторы. Эти преобразователи позволяют создавать ЦИУ высокой точности и помехозащищенности, с огромным динамическим диапазоном измерения, при достаточно высоком быстродействии. В их основе также лежат интеграторы на операционных усилителях. Принцип работы простейшего сигма-дельта модулятора иллюстрирован на рис.VI.4.

На вход интегратора, выполненного на операционном усилителе ОУ, подается сумма входного преобразуемого напряжения U_x и, попеременно, положительное и отрицательное образцовые (калиброванные) напряжения +E_o и –E_o. Эти образцовые напряжения по абсолютной величине выбираются равными предельно-допустимому значению входного напряжения U_x. Полярность образцовых напряжений может изменяться только в моменты, определяемые импульсами синхронизации, генерируемыми генератором тактовых импульсов G.

Рис. VI.4. Схема, иллюстрирующая работу сигма-дельта модулятора.

Сам же факт изменения полярности, т.е. переключения образцовых напряжений, определяется превышением входного напряжения интегратора U_инт, порогового уровня срабатывания сравнивающего устройства, управляющего D-триггером T. Одновременно с изменением полярности образцового напряжения меняется по входу V и режим счета реверсивного счетчика импульсов СТ (суммирования или вычитания). Вся система работает таким образом, чтобы на входе операционного усилителя, разницу между U_x и E_o все время сводить к минимальному значению.

При U_x = 0, напряжение на выходе интегратора U_инт будет находиться, по величине, выше порогового уровня и ниже его одинаковое время. Следовательно, и реверсивный счетчик СТ одинаковое время будет находиться в режиме суммирования и в режиме вычитания. Следовательно, сумма накопленных за время преобразования числа импульсов будет близка к нулю. Поэтому, и результат преобразования, с учетом заданной погрешности, будет равен нулю. При U_x ≠ 0, триггер Т будет находиться в одном из своих двух устойчивых состояний больше, чем во втором и, следовательно, за период преобразования в счетчике СТ накопится число импульсов, которое будет пропорционально входному напряжению U_x. Заметим, что отрицательные значения U_x, в этом случае, представлены в счетчике СТ в дополнительном коде.

Время, за которое подсчитывается число накопленных в счетчике импульсов, т.е. время преобразования, определяется интервалом между импульсами снятия показания со счетчика СТ.

В связи с тем, что частота синхронизации может быть выбрана весьма высокой, и в связи с самим принципом сигма-дельта модуляции, преобразуемое напряжение может изменяться со сравнительно большой скоростью, поскольку интервал времени снятия отсчета может задаваться достаточно малым. Преобразователями этого типа можно получать с достаточно приемлемой точностью отсчеты даже аудиосигналов.

Этот тип преобразования часто называют преобразованием с непрерывным интегрированием, поскольку входное напряжение интегратора путем изменения полярности компенсирующих образцовых напряжений непрерывно поддерживается близким к нулю (приближающимся к нулю).

Число импульсов, накопленное в реверсивном счетчике за интервал преобразования, будет выражаться формулой

,

где U_x – входное преобразуемое напряжение;

N_m – максимальное число счетных импульсов, которое вырабатывается генератором тактовых импульсов за время преобразования Т_пр. .

Имеются две области использования цифровых измерительных устройств. Первая область – использование их в качестве устройств ввода в измерительно-вычислительных комплексах (виртуальных измерительных приборах, SCADA – системах (SupervisoryforControlAndDataAcquisition – диспетчерское управление и сбор данных) и т.п.), а вторая – использование их в качестве автономных цифровых измерительных приборов в лабораторных или производственных условиях. В первом случае результат измерения используется техническими устройствами автоматической обработки информации, а во втором – результат измерения предназначен для непосредственного восприятия человеком. Эти обстоятельства приводят к некоторым различиям между цифровыми устройствами, разрабатываемыми для этих двух областей их применения, а именно:

- В цифровых измерительных устройствах, предназначенных для использования непосредственно человеком, численное значение измеряемой величины формируется либо непосредственно в десятичной, либо двоично-десятичной системе счисления для упрощения последующего его преобразования в десятичную систему, наиболее удобную для человека. В цифровых измерительных устройствах, которые используются в различного рода автоматизированных системах сбора и обработки данных, формирование численного значения измеряемой величины происходит в двоичной системе счисления, удобной для последующей компьютерной обработки.

- Цифровые измерительные устройства, предназначенные для работы с человеком, не нуждаются в большом быстродействии, так как человек все равно не сможет воспринять информацию больше 10 бит/с. В то же время для цифровых измерительных устройств, предназначенных для работы в системах с дальнейшей автоматической обработкой измерительной информации, быстродействие является одной из важнейших характеристик.

- Цифровые измерительные устройства, предназначенные для работы непосредственно с человеком, обязательно должны иметь отсчетные устройства, индицирующие результат измерения в десятичной системе счисления. Цифровые измерительные устройства, работающие в составе систем с дальнейшей обработкой, либо вообще не имеют отсчетных устройств, либо имеют его в качестве вспомогательного узла, используемого в процессе настройки системы или ее ремонта, причем индикация в этом случае, осуществляется, как правило, в двоичной системе счисления.

Эти особенности приводят к тому, что некоторые методы аналого-цифрового преобразования, становятся более предпочтительными для использования в цифровых измерительных устройствах одной области применения, а другие, наоборот, - более предпочтительны для использования в цифровых измерительных устройствах другой области.

Как следует из всего изложенного выше, основным блоком цифрового измерительного устройства является блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), в котором происходит формирование числового эквивалента измеряемой величины. Обобщенная структурная схема АЦП изображена на рис.VI.5.

Благодаря блокам масштабного преобразования измеряемая и образцовая величины могут участвовать в процессе сравнения и, следовательно, формировании числового значения измеряемой величины как непосредственно, так и в виде своих дробных (или кратных) значений. Последовательность формирования этих дробных (или кратных) значений этих величин и их сравнение между собой определяет алгоритм проведения процесса измерения. Различие этих алгоритмов определяет различие возможных методов аналого-цифрового преобразования. Последовательность операций сравнения А_x с мерами, формируемыми из образцовой величины А₀, автоматически определяется устройством управления УУ.

Рис.VI.5. Обобщенная схема блока АЦП ЦИУ.

Здесь: А_x – измеряемая величина;

А_о – образцовая величина (мера);

БМП – блоки масштабного преобразования;

БС – блок сравнения;

УУ – устройство управления.

Связь между УУ и БМП может быть обратная – тогда говорят о замкнутых АЦП, или АЦП с обратной связью (так называемые АЦП уравновешивания), а может быть и прямая или отсутствовать вообще, тогда говорят о разомкнутых АЦП, или АЦП прямого преобразования.

Как уже упоминалось, основным блоком любого цифрового измерительного устройства является блок АЦП, в котором осуществляется собственно процесс измерения, т.е. получения численного значения измеряемой величины. Поэтому в качестве критерия при классификации цифровых измерительных устройств целесообразно принять основные принципы, положенные в основу процесса аналого-цифрового преобразования.

Процесс аналого-цифрового преобразования, т.е. процедура приближения формируемого численного значения измеряемой величины к ее аналоговому эквиваленту может осуществляться либо последовательно во времени, либо одновременно во всех разрядах результата, либо последовательно-параллельно. Поэтому все типы цифровых измерительных устройств можно разделить на три основные группы:

• ЦИУ последовательного счета или уравновешивания;
• ЦИУ параллельного считывания;
• ЦИУ параллельно-последовательного уравновешивания.

ЦИУ последовательного счета или уравновешиванияхарактерны тем, что в его АЦП формирование образцовой величины (меры) осуществляется приращением ее значения последовательно во времени, до момента сравнения с измеряемой аналоговой величиной. Приращение это может осуществляться единицами квантования и подсчетом числа этих единиц в специальном счетчике. При этом если подход к состоянию равенства осуществляется с одной стороны, говорят о ЦИУ развертывающего уравновешивания. Если же подход к состоянию равенства может осуществляться как при увеличении, так и при уменьшении образцовой величины, то говорят о ЦИУ следящего уравновешивания. Однако формирование компенсирующей образцовой величины может формироваться также ступенями с весовыми коэффициентами, соответствующими непосредственно весовым разрядам двоичных или двоично-десятичных чисел. При этом если очередное, сформированное в текущем такте, значение образцовой величины станет больше измеряемой величины, эта ступень сбрасывается и суммируется следующая. Это дает возможность существенно сократить время преобразования до n тактов (n = log N, где N – число уровней квантования диапазона измерения). ЦИУ, основанные на таком методе получения численного значения аналоговой величины получили название ЦИУ поразрядного уравновешивания или поразрядного кодирования. Некоторые авторы называют их ЦИУ с кодоимпульсным преобразованием.

При аналого-цифровом преобразовании напряжения постоянного тока единицей квантования служит, формируемое в блоке масштабного преобразования образцовой величины АЦП, единичное эталонное падение напряжения.

При аналого-цифровом преобразовании временных интервалов единицей квантования служит период повторения импульсов образцового генератора, стабилизированного кварцевым резонатором в блоке масштабного преобразования образцовой величины АЦП.

При аналого-цифровом преобразовании частоты или числа импульсов образцовый интервал времени (мера), за который подсчитывается число периодов измеряемой частоты, также формируется блоком масштабного преобразования образцовой величины.

ЦИУ параллельного считыванияотличается тем, что блок масштабного преобразования его АЦП одновременно включает в себя весь набор образцовых величин, отличающихся друг от друга на единицу дискретности шкалы прибора (квантования измеряемой величины). Таким образом, измеряемая величина одновременно, за один такт, сравнивается со всеми возможными ее значениями с точностью до единицы квантования. Отсюда следует, что АЦП ЦИУ, основанных на этом методе, должны иметь блок сравнения БС, состоящий из n сравнивающих устройств, где n число уровней квантования шкалы. Число сработавших сравнивающих устройств определяет численное значение преобразуемой аналоговой величины в единичном коде. Затем это значение преобразователями кода переводится в число представленное в требуемой системе счисления.

ВЦИУ параллельно-последовательного уравновешиванияпроцесс формирования численного значения аналоговой величины осуществляется за несколько тактов, однако в каждом такте одновременно используются несколько сравнивающих устройств. При использовании n сравнивающих устройств в блоке сравнения, в первом такте осуществляется как бы грубое приближение к числовому значению преобразуемой величины, с погрешностью 1/n диапазона преобразования. Аналоговая величина, соответствующая этому грубому численному значению, вычитается из преобразуемой аналоговой величины, и эта разность снова поступает в блок сравнения. Во втором такте пороги срабатывания сравнивающих устройств уменьшаются в n раз, и погрешность преобразования уменьшается до 1/n² диапазона преобразования и т.д. В результате формируется численное значение исходной аналоговой величины с заданной погрешностью квантования.

Большинство цифровых измерительных приборов лабораторного типа широкого назначения принадлежат к ЦИУ последовательного счета и уравновешивания. В этом случае быстродействие измерительных устройств отступает на второй план. В первую очередь от них требуется простота и, следовательно, дешевизна изготовления, помехоустойчивость, а также точность измерения. Среди этих приборов наибольшее распространение получили комбинированные ЦИУ (авометры) с предварительным преобразованием измеряемой величины в интервал времени (ЦИУ двухтактного интегрирования), или в число импульсов (ЦИУ ссигма-дельта модуляцией).