Определим частоту квантующих импульсов, исходя из заданной

погрешности АЦП. Если заданное значение погрешности АЦП <<δT											, то δT
										0	x
определяется погрешностью квантования и равна
δT =						T0		.
	x				Tx
Тогда по заданному значению δT	можно								найти	значение длительности
x
квантующего импульса при Tx =Txmin		и,			следовательно, определить частоту
квантующих импульсов при которой погрешность δT										не превышает заданного
									x
значения:
f0 =					1				.,
		δ	t		T
				x		x
							min

Схема растягивания интервала времени. В тех случаях, когда дальнейшее увеличение частоты квантующих импульсов становится невозможным, то для уменьшения погрешности от квантования следует использовать схемы растягивания интервала времени. Рассмотрим принцип действия одной из таких схем, изображенной на рис. 2.7. Входной сигнал tx

поступает на блок управления БУ, который на время действия расширяемого

		Рисунок 2.7
нтервала времени		tx замыкает ключ Кл.1, и на вход интегратора подается
напряжение +Uоп.		Выходное напряжение интегратора изменяется по

линейному закону (рис. 2.8):

45

	Uинт = −Uоп	tx	,
		τ
где τ - постоянная времени интегратора.
По окончанию	расширяемого интервала	t x	БУ размыкает ключ Кл.1 и
замыкает ключ	Кл.2, подающий на вход интегратора напряжение другой

полярности и амплитуды (-0,1Uоп). Выходное напряжение интегратора

Uинт = −Uоп τtx + 0,1Uоп tτx

начнет изменяться в другую сторону и когда оно станет равным нулю,

Uинт = 0 или −Uоп τtx + 0,1Uоп tτx = 0.

схема сравнения выдаст импульс на БУ и ключ Кл.2 разомкнется. Откуда

t x =10 t x .

Таким образом, на выходе БУ сформируется импульс длительностью tи ,

равной 10 t x .

Рисунок 2.8

46

После квантования полученного интервала времени

							T0
			δT0	±					,
tи = N xT0							tx
а искомый интервал будет равен
	Nx						T0
tx =			δT0	±
	10	T0			10
								tx

и, следовательно, погрешность от квантования уменьшится в 10 раз. Рассмотренная структурная схема АЦП интервала времени предназначена

для преобразования периода периодического сигнала Tx в код. Для преобразования длительности импульса tx входной сигнал подают непосредственно на схему совпадения И, минуя формирователь Ф, а при преобразовании длительности паузы между импульсами tx входной сигнал следует подать на схему совпадения через инвертор. При измерении интервала времени между двумя импульсами необходимо с помощью SR-триггера сформировать измеряемый интервал времени tx на входе схемы совпадения.

Применение метода совпадений для повышения точности аналогоцифрового преобразования интервала времени. Метод нониуса в АЦП интервала времени применяют в том случае, когда есть возможность осуществления синхронизации между началом измеряемого или преобразуемого интервала времени Tx и началом первого квантующего импульса. В таких случаях аддитивная погрешность АЦП, обусловлена только несовпадением окончания измеряемого интервала времени Tx и окончанием последнего квантующего импульса. Для реализации метода совпадения или метода нониуса необходимо иметь как минимум две шкалы или две многозначные меры с квантами разных размеров.

Рассмотрим принцип действия АЦП интервала времени, в котором реализован метод совпадений (рис. 2.9). В качестве второй многозначной меры времени выступает генератор нониусных импульсов (ГНИ). Временные диаграммы, поясняющие принцип действия, изображены на рис. 2.10. Входной

47

сигнал, информативным параметром которого является время Tx (рис. 2.9)

поступает на схему совпадения И1, на устройство синхронизации (УС), запускающее ГКИ, и на время Tx открывает И1 для прохождения квантующих импульсов от ГКИ, причем начала Tx и T0 совпадают, т.е. Tx и T0

засинхронизированы устройством синхронизации УС. Счетчик СТ1 сосчитает

N x1 квантующих импульсов длительностью T0 . В то же время входной сигнал поступает и на инвертор НЕ, который его инвертирует. Передним фронтом проинвертированного входного сигнала запускается генератор нониусных импульсов ГНИ, который вырабатывает квантующие импульсы длительностью TH . Эти импульсы поступают на вторую схему совпадения И2, другой вход которой соединен с инверсным выходом D-триггера. D-триггер исходно установлен в “нулевое” состояние. Он выполняет функцию схемы сравнения или совпадения импульсов вырабатываемых генераторами ГКИ и ГНИ. В момент их совпадения на выходе D-триггера устанавливается единичное состояние и схема совпадения И2 закрывается.

Рисунок. 2.9 Количество квантующих нониусных импульсов, прошедших через И2

N x2 , подсчитывается счетчиком СТ2. При условии, что импульсы ГКИ и ГНИ

идеально совпали, т.е.		Tx		2	= 0 можно записать
					Tx = N x	T0	+ Tx .
					1		1
В то же время	Tx		равно
	1

48

Tx1 = N x2 T0 − N x2 TH = N x2 (T0 −TH ) .

Учитывая, что TH = aT0 , получим

Tx1 = N x2 T0 (1 − a) ,

а выражение для преобразуемого интервала Tx будет иметь вид

1

2

3

4

5

6

7

Tx = N x

T0

+ N x

2

T0 (1 − a)

или Tx =T0

[N x

+ N x

(1−a)].

1

1

2

Tx

t

T0

Nx2 T0

t

1

2 . . .

N x

1

Tx

t

N x

T0

1

1

t

Tx	TH

t

t

1 2

Nx2

t

Nx2 TH

Tx2

Рисунок 2.10

49

Полученное выражение соответствует идеальному значению Tx ,

поскольку было принято, что Tx2 = 0 . Естественно, что идеального совпадения импульсов ГКИ и ГНИ быть не может, а остаток интервала Tx ,

полученный при таком измерении, не будет превышать T0 (1−a) , т.е.
Tx	≤T0	(1−a) . Тогда относительная погрешность при δT	= 0	и δT	= 0 равна
2		0		H

δT	=	Tx	2	=		1−a			≈	1−a	,
		Tx			N x	+ N x	(1	−a)		Nx
x
					1		2			1

а выражение для функции преобразования с учетом погрешности от дискретности преобразования имеет вид

									1−a
T	≈T	[N	x	+ N	x	(1	−a)] 1	−			.
x	0								N
			1		2
									x1

Из полученного выражения видно, что применение метода совпадения или метода нониуса позволяет уменьшить погрешность от дискретности или аддитивную составляющую погрешности АЦП в 1/(1−a) раз. Например, при a = 0,9 метод нониуса повышает точность в 10 раз.

2.3.Аналого-цифровое преобразование фазы

АЦП мгновенного значения фазы. Аналого-цифровое преобразование фазы в большинстве случаев основано на АЦП интервала времени в режиме преобразования интервала времени tx между двумя импульсами. На рис. 2.11

и рис. 2.12 приведены структурная схема АЦП и временные диаграммы работы АЦП. Входные сигналы U1 и U2 поступают на формирователи Ф1 и Ф2,

которые выдают прямоугольные импульсы в момент перехода через нуль U1 и

U2 . Эти импульсы поступают на RS-триггер Т, изменяя его состояние. На выходе триггера формируется импульс длительностью tx , причем

tx =ϕx / ω =ϕx / 2πf .

50