Белополский Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи 2010

преобразователя осуществляется в два этапа: этап накопления заряда на интеграторе (выборка) и этап разряда интегратора. В первом такте (положение "1" входного переключателя S1 на рис. 1.16) с помощью интегратора интегрируется выходное напряжение операционного усилителя А1, работающего в компараторном режиме, равное приблизительно напряжению питания U*A1 = =UCC1 = 15 В.

Это позволяет значительно ускорить процесс заряда конденсатора Cи и сократить время выборки, а, кроме того, уменьшает влияние

нелинейности вольт-амперной характеристики диода. Как только напряжение на выходе интегратора Uи превысит измеряемое на

величину порога срабатывания компаратора Uпор , последний пе-

ребрасывается в противоположное состояние, напряжение на его выходе становится отрицательным и равным приблизительно UA−1 =UCC2 =−15 В, диод VD запирается и заряд Cи прекращается.

Напряжение на выходе интегратора сохраняется постоянным и равным значению Uвх , схема находится в режиме хранения.

Во втором такте управляющий сигнал Uупр перебрасывает

входной переключатель S1 в положение 2 и подключает вход ОУ А1 на "землю". Одновременно замыкается ключ S2, соединяющий источник эталонного тока (ИЭТ) с интегратором. Источник эталонного тока обеспечивает постоянный ток разряда Си и тем са-

мым линейное изменение напряжения Uи во времени. Момент окончания разряда конденсатора Си до нуля фиксируется компара-

тором А1, который перебрасывается в этот момент в противоположное состояние. Следовательно, длительность интервала времени tx от начала второго такта до момента срабатывания компара-

тора оказывается прямо пропорциональна амплитудному значению входного напряжения.

В данной схеме (см. рис. 1.16) осуществляется автоматическая коррекция дрейфа порога срабатывания компаратора, так как, если в первом такте Uпор добавлялось к Uвх и интегрировалось с ним,

то во втором оно добавляется к нулевому уровню, а в целом интегратор разряжается только на величину Uвх .

21

22

Рис. 1.17. Лицевая панель лабораторного макета

В качестве управляющих сигналов могут использоваться как внешние сигналы от специального тактового генератора (ТГ) на ОУ А5, так и внутренние, снимаемые с выхода сравнивающего устройства на А1 (рис. 1.17). В первом случае длительность первого и второго тактов неизменна и определяется длительностью полупериодов мультивибратора на А5, во втором случае длительность тактов, а следовательно и частота выходных импульсов, прямо пропорциональна входному напряжению.

В случае использования в качестве управляющих Uупр сигна-

лов, снимаемых с выхода сравнивающего устройства, длительность тактов зарядки Tзар и разрядки tx можно найти, исходя из закона

изменения напряжения на выходе интегратора:

t

Uи = RC1 ∫0Uвх dt.

Впроцессе зарядки (выборки) интегратор заряжается напряже-

нием U*A1 =15 В с выхода A1 через резистор R =6,2 кОм (см. рис. 1.17) до значения Uвх . Поэтому

Tзар =UUвх* RCи .

A1

Поскольку в момент достижения напряжения Uи значения Uвх

срабатывает компаратор А1, управляющий ключами S1 и S2, то сразу после этапа зарядки начнется этап разрядки интегратора, а этапа хранения, как такового, не будет.

На стадии разрядки происходит разряд конденсатора Cи от значения Uвх до нуля путем подключения источника эталонного тока. Поэтому

tx =Uвх Cи .

Iэт

По этой же формуле определяется интервал tx и в случае рабо-

ты с внешним тактовым генератором.

Частота следования выходных импульсов при управлении от компаратора будет равна

23

x.макс

fx =	1	=					1				.
	Tзар + tx						R	+	1
		U			C
				вх
					и
						U*A1			Iэт

Так как обычно ток заряда Iзар = U*A1 R намного больше тока раз-

ряда (Iэт ) , то

fx UвхIэтCи ,

т.е. обратно пропорционально входному напряжению.

Таким образом, данная схема может использоваться и в качестве преобразователя напряжения в частоту.

При работе от внешнего ТГ длительность второго такта выбирается из условия T > t , что обеспечивает окончание преобразо-

вания Uвх во временной интервал в случае подачи максимально допустимого входного сигнала. (Для данного макета Uвх.макс ≤ ≤ + 8 В.) При напряжении Uвх < Uвх.макс преобразование будет за-

канчиваться до окончания второго такта, и компаратор будет стремится переброситься в состояние, когда U*A1 = + 15 В, следователь-

но диод VD откроется и опять начнется заряд интегрирующей емкости Cи . Однако во втором такте входной переключатель замкнут

на землю, т.е. на входе компаратора А1 напряжение равно нулю, поэтому напряжение на интеграторе Uи может возрасти незначи-

тельно, после чего А1 опять перебросится и отключит диод. Конденсатор Cи начнет разряжаться до нуля и т.д. Таким образом, в

схеме могут возникнуть автоколебания, частота и амплитуда которых (на входе интегратора) зависят от величины порога срабатывания компаратора и времени запаздывания передачи сигналов по цепи обратной связи. Для исключения влияния этих колебаний на правильность отсчета tx в макете используется специальная схема

выделения интервала времени, подключаемая к выходу компаратора А1. Если А1 достаточно быстродействующий, то после достижения напряжения на выходе интегратора значения Uвх , усилитель

А1 попадает не в насыщение, а в активную область и поддерживает U A1 = Uвх 0 , т.е. автоколебаний не возникает.

24

В случае использования в качестве управляющих сигналов импульсов, снимаемых с выхода А1, подобных процессов не происходит, так как длительность тактов зависит от величины входного сигнала.

Тактовый генератор. Поскольку для управления ключами на полевых транзисторах требуются двухполярные управляющие сигналы амплитудой порядка 15 В, то в качестве тактового генератора выбрана схема мультивибратора на ОУ типа 140УД8А, обеспечивающая требуемое напряжение. Схема тактового генератора, собранная на усилителе А5, резисторах R1-R4 и конденсаторе С1, показана на рис. 1.17. Длительность полупериодов мультивибратора Т1 и Т2, определяемая номиналами резисторов R4 и R3, взята различной (T1 < T2), так как длительность первого и второго тактов

различна:			1+ γ			1	+ γ
	T1 = R4 C1 ln			;	T2 = R3 C1 ln			,
			1−γ			1	−γ
	R1
где γ=		.
	R1+ R2

Схема выделения интервала времени. Для отделения измеряемо-

го интервала tx на выходе А1 от сигналов возможных автоколеба-

ний в макете используется RS-триггер типа 176ТМ2, схема подключения которого показана на рис. 1.17. Начальная установка триггера осуществляется подачей на вход S отрицательного перепада напряжения, соответствующего началу второго такта, который может браться как с выхода внешнего тактового генератора, так и со схемы А1. В момент окончания преобразования Uвх в ин-

тервал tx положительный перепад напряжения с выхода А1 пода-

ется на вход R триггера и возвращает его в первоначальное положение. Последующие сигналы, поступающие на вход в результате возможного процесса автоколебаний схемы, никакого влияния на триггер не оказывают.

Лицевая панель макета преобразователя показана на рис. 1.17. В качестве усилителей А1, А2, А5, А6, используемых в схемах компаратора, интегратора, источника эталонного тока и тактового генератора, взят операционный усилитель типа 140УД8А.

Основные параметры ОУ следующие: K =50 103 ; Uсмо ≤ 20 мВ;

25

Iсм ≤0,1 нА; Iсм ≤ 0,2 нА; Iвых.макс =20 мА; f1 = 1 МГц;

Rвых = 1 кОм.

Питание макета осуществляется от двух источников постоянного напряжения: UСС1 = + 15 В и UСС2 = −15 В.

В качестве источников входных сигналов используются УНИП-7 и генератор синусоидальных сигналов. Полярность постоянного входного напряжения должна быть только положительной, амплитуда входных сигналов не должна превышать 8 В, а максимальная частота – не больше 5 кГц.

Подготовкак работе

1.Ответить на контрольные вопросы.

2.Нарисовать временные диаграммы напряжений на выходах входного переключателя, сравнивающего устройства, интегратора

итриггера при подаче на вход постоянного напряжения и работе преобразователя от управляющих сигналов, снимаемых с выхода A1.

3.Нарисовать те же временные диаграммы при работе от внешнего тактового генератора.

4.Рассчитать длительность фронтов входного переключателя

при включении tф.вкл = 2, 2RнСвх .

5.Рассчитать Iэт и Rвых источника тока.

6.Рассчитать ток заряда интегратора.

7.Найти длительность времени зарядки Tзар и времени разрядки

tx при Uвх =5 В.						от Uвх и	fx от Uвх .
8.	Построить графики зависимости tx
9.	Рассчитать длительности полупериодов мультивибратора.
10.		Рассчитать	погрешность δ		хр	, взяв	R	= 1010	Ом;
							ут.C
R		=109 Ом, R		=109 Ом.
выкл		вх.ОУ

26

Рабочее задание

1.Собрать схему преобразователя без буферных усилителей АЗ

иА4, работающего с управляющими сигналами с выхода A1. Зарисовать осциллограммы напряжений на выходах аналогового переключателя, компаратора, интегратора и триггера при подаче на вход постоянного напряжения. Измерить напряжения и длительно-

сти импульсов на этих выходах для двух значений Uвх .

2. Измерить параметры импульсов на выходе аналогового переключателя; Uвых , tф.вкл и tф.выкл при выключенных буферных усилителях.

3.Измерить величину тока эталонного источника.

4.Измерить коэффициент передачи нагруженного входного переключателя при включенных и отключенных буферных усилите-

лях (усилители А2 и А4 на рис. 1.17) для Uвх = 1 В. Измерения про-

изводить с помощью вольтметра, обеспечивая открытие входного переключателя постоянным напряжением +15 В, подаваемым на управляющий вход.

5. Измерить длительности времен зарядки и tx при Uвх = 5 В и

сравнить с расчетными значениями.

6. Снять зависимости tx от Uвх и fx от Uвх , изменяя входное

постоянное напряжение от + 0,5 до + 8 В. Построить их на графике, рассчитанном дома.

7.Собрать схему преобразователя, работающего с управляющими сигналами от тактового генератора. Зарисовать осциллограммы и измерить напряжения на выходах аналогового переключателя, сравнивающего устройства, интегратора и триггера при подаче на вход постоянного напряжения. Измерить длительности импульсов.

8.Зарисовать осциллограммы выходных напряжений преобразователя при подаче на вход синусоидального сигнала для двух вариантов схемы.

27

Контрольные вопросы

1.Каковы особенности АЦП прямого преобразования?

2.Каковы преимущества и недостатки аналоговых ключей на полевых транзисторах?

3.Как исключается режимная зависимость rвкл у ключей на ПТ?

4.Зачем используется в схеме эталонный источник тока?

5.Какими параметрами характеризуется компаратор?

6.Что такое схема выборки-хранения, каков принцип ее работы?

7.Какими параметрами характеризуется схема выборкихранения?

8.Какие типы схем выборки-хранения Вы знаете, каковы их достоинства и недостатки?

9.Что такое амплитудный детектор с запоминанием?

10.Каким способом можно улучшить характеристики амплитудного детектора?

11.Из каких основных узлов состоит лабораторный макет, каково назначение каждого узла?

12.Как осуществляется преобразование напряжения во временной интервал?

13.Какие два режима работы преобразователя осуществляются

вмакете?

Список литературы

1.Филиппов А.Г., Аужбикович А.М., Немчинов В.М. и др. Микропроцессорные системы и микроЭВМ в измерительной технике. Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1995.

2.Никамин В.А. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Справочник. СП.: Корона; М.: Альтекс-А, 2003.

3.Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. М.: Техносфе-

ра, 2006.

4.Аналого-цифровое преобразование / Под ред. У. Кестера. М.: Техносфера, 2007.

28

Лабораторная работа 2

АЦП ДВОЙНОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ

Цель: изучение принципов построения интегрирующих преобразователей, исследование АЦП двойного интегрирования, его статических и динамических характеристик.

Введение

Выбор того или иного метода преобразования аналогового сигнала в код зависит от уровня амплитуды и полосы частот сигнала, требуемой точности преобразования, наличия помех и т.д. В настоящей работе рассматриваются принципы преобразования аналогового сигнала в цифровой код методом однотактового, двухтактного и трехтактного интегрирования; исследуется АЦП двойного интегрирования (двухтактного).

АЦП двойного интегрирования является одной из разновидностей АЦП временного преобразования, в которых измеряемая электрическая величина преобразуется в интервал времени, длительность которого определяется путем заполнения этого интервала импульсами опорной частоты и подсчета их числа цифровым счетчиком. На основе АЦП временного преобразования строятся цифровые вольтметры с однотактным, двухтактным и трехтактным интегрированием.

Однотактный АЦП

Рассмотрим принцип работы АЦП однотактного интегрирования (интегрируется опорное напряжение с целью получения пилообразного напряжения), структурная схема которого представлена на рис. 2.1. АЦП состоит из следующих основных узлов: генератора импульсов управления (ГИУ), интегратора, на котором построен генератор пилообразного напряжения (ГПН), генератора импульсов опорной частоты (ГОЧ), компаратора (К), схемы совпадения (схемы "И") и счетчика.

Работу однотактного АЦП удобно проследить по временным диаграммам, представленным на рис. 2.2.

29

Рис. 2.1. Структурная схема АЦП однотактного интегрирования

Рис. 2.2. Временные диаграммы работы АЦП однотактного интегрирования

30