Аналого-цифровые преобразователи классифицируют по виду информативного параметра на его входе и выходе.

Лекция 8 Преобразователи напряжения в частоту. Преобразователи прямого преобразования. Импульсно-компенсационные преобразователи. Суммирующий интегратор. Коммутаторы полярности напряжения

Преобразователи напряжения в частоту Эти преобразователи относятся к аналого-цифровым преобразователям, поскольку в них изменяющийся во времени аналоговый сигнал - напряжение преобразуется в последовательность импульсов, частота которых прямо пропорциональна текущему его значению. Число этих импульсов за фиксированный промежуток времени представляет собой число-импульсный код, который при необходимости может быть преобразован в двоичный или десятичный. В ряде случаев такие преобразователи обладают определенными преимуществами перед АЦП других типов.

Преобразователи напряжения в частоту могут быть прямого и импульсно-компенсационного типа.

Преобразователи прямого преобразования. Преобразователя такого типа работают по следующему принципу. Входное напряжение u_вх(t) поступает на вход интегратора. Его выходное напряжение с помощью схемы сравнения сравнивается с некоторым заданным напряжением u₀. Сигнал равенства этих напряжений возвращает интегратор в исходное состояние, что обеспечивает развертку процесса во времени.

Общее условие, из которого можно найти выходную частоту, имеет следующий вид:

                                                                                                                              (8.1)

где T - период следования выходных импульсов. Поскольку входное напряжение поступает с выхода схемы выборки-хранения, оно может считаться постоянным в течение времени преобразования.

Временные диаграммы выходного напряжения интегратора для разных постоянных входных напряжений  показаны на рис. 8.1. Выходная частота, т.е. частота следования сигналов совпадения на выходе схемы сравнения, пропорциональна среднему значению входного сигнала.

Рисунок 8.1

На практике мгновенный возврат интегратора в исходное состояние неосуществим. Поэтому применяют изменение направления интегрирования, формируя обратный ход «пилы» за определенное время. Если параметры интегрирования в прямом и обратном направлении одинаковы, то выходная частота будет в два раза меньше по сравнению с идеальным случаем мгновенного сброса.

Изменение направления интегрирования производится одним из следующих способов [4]:

1)  подачей параллельно входному напряжению интегратора выходного сигнала инвертирующего масштабного усилителя;

2)  коммутацией полярности входного напряжения интегратора;

3) изменением знака разности напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ интегратора.

При подаче на вход переменного входного сигнала пилообразные выходные напряжения интегратора становятся нелинейными и текущая частота изменяется от периода к периоду. Рассмотрим для примера прямое преобразование линейно нарастающего сигнала  u_вх(t) = u_вх + (du_вх/dt) t.

Интеграл напряжения представляет собой сумму двух функций - линейной и квадратичной. Временные диаграммы показаны на рис. 8.2. При анализе следует иметь в виду, что на основании общего условия (8.1) площади трапеций равны друг другу, т.е. s₁ = s₂ = s₃ = ... , что позволяет определять текущие частоты последующих колебаний по частоте предыдущих.

Рис. 8.2

Импульсно-компенсационные преобразователи. Если входное напряжение изменяется во времени, а компенсирующее напряжение и_к(t) имеет форму прямоугольных импульсов длительности t_к, то компенсация за период следования импульсов Т осуществляется средним значением импульсного напряжения:                                                                                                     (8.2)

Очевидно, что амплитуда компенсирующих импульсов должна быть больше среднего значения входного напряжения, а их полярность - противоположной.

Преобразователь (рис. 8.3, а) включает в себя суммирующий интегратор, нуль-индикатор НИ, сигнализирующий об окончании компенсации, оговоренной условием (8.2), и генератор стабильных одиночных импульсов ГСОИ, запускаемый выходным сигналом НИ. Временная диаграмма работы преобразователя показана на рис. 8.3, б. В результате возрастания выходного напряжения интегратора под действием входного сигнала срабатывает НИ и запускает ГСОИ, который генерирует импульс длительности t_K. В течение этого импульса напряжение снижается до значения u₁. После окончания компенсирующего импульса напряжение на выходе интегратора опять возрастает. Когда оно достигнет нулевого значения, опять сработают НИ и ГСОИ, и начнется новый цикл работы преобразователя.

а                                               б

Рисунок 8.3

Максимальная рабочая частота преобразователя «напряжение-частота» достигает 1 МГц, нелинейность не превышает 0,01 %.

Суммирующий интегратор. Интегратор такого типа интегрирует алгебраическую сумму нескольких подаваемых на разные входы напряжений. Схема суммирующего интегратора для двух напряжений показана на рис. 8.4.

Рисунок 8.4

Работа этой схемы описывается дифференциальным уравнением

В результате решения этого уравнения относительно u_вых получим:

Возврат интеграторов в исходное положение может производиться быстрым разрядом конденсатора или подключением через резистор к одному из входов ОУ такого напряжения, при котором изменяется направление интегрирования.

Источники опорного напряжения. Простейшая схема такого источника может быть выполнена на прецизионном кремниевом стабилитроне. Однако на стабильность напряжения в такой схеме влияют изменения сопротивления нагрузки и тока через стабилитрон. Для улучшения характеристик стабилитрон подключают к неинвертирующему входу ОУ и питают его от стабилизатора тока.

Коммутаторы полярности напряжения. Для коммутации полярности напряжения применяются схемы с транзисторным ключом в цепи его неинвертирующего входа или интегральные ключи на КМОП-структурах. На рис.8.5 показана схема переключения полярности. Она содержит двухканальный интегральный ключ, инвертирующий усилитель на ОУ с единичным усилением и инвертор.

 Рисунок 8.5

Когда управляющее напряжение и_у представляет собой логическую единицу, входной сигнал u_вх проходит на выход через замкнутый верхний ключ схемы, при этом нижний ключ разомкнут. Когда на управляющий вход поступает логический нуль, верхний ключ разомкнут, нижний - замкнут и выходной сигнал имеет полярность, противоположную полярности входного сигнала.

Лекция 9 Преобразователи временного интервала, фазы и частоты в код. Преобразователи временного интервала в код. Преобразование фазы в код. Преобразователи частоты в код