3.4.3.2. Цифровые вольтметры уравновешивающего преобразования

В отличие от ЦВ прямого преобразования в цифровых вольтметрах уравновешивающего преобразования используется обратная связь, которая обязательно предполагает наличие в схеме ЦАП, называемого в данном случае преобразователем код - напряжение (ПКН).

Цифровые вольтметры уравновешивающего преобразования в зависимости от способа уравновешивания можно разделить

- на приборы развертывающего и

- приборы следящего типа,

а по характеру изменения компенсирующего напряжения во времени

- на приборы с единичным и

- приборы с порязрядным приближением.

ЦВ развертывающего уравновешивания единичного приближения.

Структурная схема аналого-цифрового преобразователя ЦВ развертывающего уравновешивания единичного приближения содержит счетчик Сч, преобразователь кода в напряжение ПКН, источник образцового напряжения ИОН, устройство сравнения УС, генератор тактовых импульсов ГИ, устройство управления УУ и ключ Кл.

Работа устройства иллюстрируется временной диаграммой (рис. б).

Рис. Структурная схема (а) и временная диаграмма (б) работы АЦП напряжения развертывающего уравновешивания с единичным приближением

Измеряемое напряжение и_х подаётся на один из выходов УС, компенсирующее напряжение и_к с выхода ПКН - на другой.

После прихода сигнала внешнего запуска и_з УУ устанавливает Сч в нулевое состояние.

Компенсирующее напряжение u_к при этом становится равным нулю, и на выходе УС появляется единичный сигнал u_ус, свидетельствующий о том, что и_х > и_к.

Этот сигнал открывает ключ Кл, и тактовые импульсы с ГИ начинают последовательно заполнять счетчик.

Код с выхода Сч преобразуется ПКН в ступенчато нарастающее компенсирующее напряжение и_к.

Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока u_к не станет равным измеряемому напряжению

В этот момент сигнал на выходе УС меняет знак и закрывает ключ, прекращая заполнение Сч тактовыми импульсами u_N.

Выходной код счетчика будет определяться соотношением

N = u_х/z,

где z = U₀/2^m - шаг квантования; U₀ - значение образцового напряжения ИОН; т - разрядность счетчика.

Таким образом, приближение компенсирующего напряжения к измеряемому осуществляется единичными ступенями.

Скорость нарастания компенсирующего напряжения постоянна и определяется частотой f_т тактовых импульсов.

Максимальное значение f_т ограничено быстродействием ПКН.

Время преобразования таких АЦП является переменным и зависит от значения измеряемого напряжения.

Максимальное его значение

t_{пр max} = (2^m - 1)/f_т

определяет период импульсов запуска.

Максимальное быстродействие рассматриваемых АЦП существенно зависит от разрядности m и составляет 10²-10⁴ преобразований в секунду.

Погрешность АЦП в основном определяется погрешностью ПКН и достигает 0,002 - 0,1 %.

Аналого-цифровые преобразователи развертывающего уравновешивания с единичным приближением отличаются простотой схемной реализации, высокой точностью, но относительно низким быстродействием.

Они используются в ЦВ для измерения постоянных и медленно изменяющихся напряжений, а также в качестве блоков ИИС.

В последнем случае счетчик и ПКН являются двоичными, разрядность их составляет 8 - 16.

ЦВ развертывающего уравновешивания с поразрядным приближением.

В ЦВ развертывающего уравновешивания с поразрядным приближением измеряемое напряжение сравнивается со ступенчато изменяющимся компенсирующим напряжением, значения (веса) ступенек которого выбираются равными 1/2, 1/4, 1/8,...,1/2^m значений образцового напряжения U₀.

При этом U₀ равно максимальному значению измеряемого напряжения (пределу измерения).

Рис. Структурная схема (а) и временная диаграмма работы (б) АЦП напряжения развертывающего уравновешивания с поразрядным приближением

Структурная схема (рис. а) аналого-цифрового преобразователя, реализующего этот метод, отличается от рассмотренной выше схемы тем, что выходной код N не формируется путем заполнения счетчика (единичное приближение), а вырабатывается поразрядно программным устройством ПУ по результатам анализа выходного сигнала УС.

Временная диаграмма преобразования для четырехразрядного АЦП представлена на рис. б.

Импульс запуска u_з осуществляет начальную установку ПУ, сброс компенсирующего напряжения u_к и запуск генератора тактовых импульсов ГИ.

После прихода первого тактового импульса U_ги программное устройство (ПУ) выставляет 1 в первом (старшем) разряде выходного кода, что приводит к появлёнию на выходе ПКН компенсирующего напряжения U_к1 = U₀/2.

Устройство сравнения сравнивает это напряжение с u_х, и если u_х > U_к1, то на выходе УС остаётся положительное напряжение, и в ПУ остается 1 в старшем разряде кода.

В момент прихода второго тактового импульса ПУ формирует 1 во втором разряде выходного кода, имеющем вес 1/4.

Преобразователь кода в напряжении преобразует этот код и выдает напряжение U_к = U_к1 + U_к2 = U₀/2 + U₀/4.

Если U_к > u_х, то напряжение на выходе УС изменяет знак.

Программное устройство, проанализировав знак этой разности, определяет перекомпенсацию и сбрасывает 1 во втором разряде, оставляя там 0.

При этом уровень U_к2 исключается из компенсирующего напряжения.

После прихода третьего тактового импульса ПУ вырабатывает 1 в третьем разряде с весом 1/8.

Напряжение U_к3 = U₀/8 суммируется с U_к1.

Если УС показывает, что перекомпенсация не наступила, то ПУ выставляет 1 в младшем (четвертом) разряде, заканчивает преобразование, останавливая ГИ, и выдает сигнал готовности выходного кода к считыванию.

Процесс измерения у АЦП поразрядного приближения занимает m тактов в отличие от 2^m-1 тактов у АЦП единичного приближения, что дает существенный выигрыш в быстродействии.

Быстродействие АЦП такого типа достигает 10⁵ -10⁶ преобразований в секунду в зависимости от разрядности.

Погрешность измерения таких ЦВ также определятся в основном погрешностью ПКН.

Однако ввиду того, что процесс уравновешивания осуществляется поразрядно, разрядность ПКН не накладывает существенных ограничений на быстродействие и может быть достаточно большой (10 -16), обеспечивая высокую точность измерения напряжения.

Описанный принцип преобразования представляет собой удачное решение, компромиссно сочетающее требование точности и быстродействия, и нашел широкое практическое применение как при построении ЦИП, так и в особенности при построении быстродействующих высокочастотных АЦП системного применения.

Такие АЦП, имеющие разрядность 8 -12, выпускаются промышленностью в виде интегральной микросхемы в монолитном исполнении.