Эти преобразователи применяются как в качестве самостоятельных схем, так и в составе других типов АЦП, использующих двойное преобразование. В ряде случаев такой вариант построения оказывается предпочтительным.

Преобразователи временного интервала в код. В этих преобразователях используется метод последовательного счета. Временной интервал заполняется импульсами тактового генератора стабильной частоты, и его величина характеризуется количеством импульсов, которые укладываются в этом интервале. Схема такого преобразователя приведена на рис. 9.1. Началу временного интервала соответствует старт-импульс. Он устанавливает триггер Т в 1, благодаря чему импульсы от генератора ГИ с частотой f = 1/t начинают поступать на счетчик через схему И. Концу временного интервала соответствует стоп-импульс, который переводит триггер в 0, после чего поступление импульсов на вход счетчика прекращается. Следовательно, код счетчика представляет собой длину временного интервала

 T=(n-1)t,

где n - число импульсов, поступивших на счетчик.

Рисунок 9.1

Поскольку старт- и стоп-импульсы несинхронны по отношению к тактовым импульсам, могут возникнуть погрешности: ∆t₁ - задержка первого тактового импульса относительно стартового и ∆t₂ - задержка стоп-импульса относительно последнего тактового. Поэтому истинное значение временного интервала

 T* = (n- 1)t + ∆t₁ + ∆t₂ .

Если первую составляющую погрешности можно устранить, применяя специальные схемотехнические приемы, то вторая составляющая принципиально неустранима; ее можно только сократить.

Преобразование фазы в код. Обычно в качестве преобразуемой величины используется разность фаз опорного сигнала f₀(t) и входного сигнала f_вх(t), информативным параметром которого является фаза. Как правило, имеют дело с синусоидальными сигналами одинаковой частоты.

Наиболее распространенный метод - переход от сдвига фаз к временному интервалу с последующим преобразованием его в код. Для этого фиксируются моменты перехода через нулевой уровень опорного и входного сигналов; соответствующие импульсы служат старт- и стоп-импульсами (см. выше).

Периоду Т опорного и входного сигналов (он задан) соответствует сдвиг фаз, равный 2π; сдвигу фаз φ - длительность временного интервала Т_и (он измеряется). Составляя пропорцию, имеем:

 Т_и=φТ/2π.

Переходя далее к кодам и полагая, что длительности Т соответствует число импульсов N, а длительности Т_и - n, имеем:

 φ = 2πn/N.

На точности преобразования сказывается наличие высокочастотных помех во входном сигнале. Их влияние уменьшается путем выбора для фиксации сдвига фаз нулевого уровня: здесь крутизна синусоиды максимальна и аддитивная высокочастотная помеха меньше искажает результат сравнения.

Точность можно также повысить, применяя статистическую обработку результатов нескольких измерений (если только изменениями измеряемой фазы за это время можно пренебречь). В простейшем случае это обеспечивается вычислением сдвига фаз во время прохода обоих сигналов через нулевой уровень дважды: в прямом и в обратном направлениях.

Модификация рассмотренного метода: синусоидальные сигналы заменяются прямоугольными импульсами соответствующей полярности. С помощью элемента И легко выделить последовательность разнополярных импульсов, длительность которых Ти, пропорциональная измеряемому сдвигу фаз, может быть измерена рассмотренным выше преобразователем.

Количество импульсов ГИ, поступивших с частотой f = 1/t_ги за один период преобразования, равно Т_и/t_ги. Если выбрать интервал усреднения Т_ус = kt, а частоту f так, чтобы Т = k₁t_ги (k и k₁ - постоянные, выбранные из условия неизменности сдвига фаз или по требуемой точности, если анализу подлежит средняя частота), то общее количество импульсов, поступивших за время Т_ус,

N = (Т_ус/Т)(Т_и/t_ги) = kT_и/t_ги = kφT/2πt_ги = φkk₁/2π.

Видно, что результат измерений инвариантен относительно изменения частоты ГИ и частоты синусоидальных сигналов, т.е. этот метод позволяет исключить два источника погрешностей.

Преобразователи фазы в код часто являются составной частью измерителей перемещений, в которых перемещение сначала преобразуется в фазовый сдвиг, а затем - в код.

Преобразователи частоты в код. Для преобразования частоты в код можно в качестве измеряемой величины использовать:

1) период измеряемой частоты; 2) количество периодов за фиксированный промежуток времени; 3) приращение фазы за фиксированный временной интервал.

Первый случай соответствует задаче преобразования временного интервала в код (см. выше), однако следует учитывать, что вычисление частоты по измеренному периоду требует наличия функциональных (гиперболических) преобразователей или процессора.

Реализация второго способа связана с подсчетом периодов (если входной сигнал гармонический, то предварительно его рекомендуется преобразовать в последовательность импульсов) и заданием фиксированного временного интервала. Его длительность должна выбираться с учетом требуемой точности измерения и может изменяться при изменении измеряемой частоты. Для измерения высо­ких частот используется принцип гетеродинирования.

Третий способ основан на том, что частоту можно определить как отношение приращения фазы к отрезку времени, за который произошло это приращение. Таким образом, проведя два преобразования фазы в код на известном и фиксированном временном интервале, можно определить значение частоты. Обязательным условием, обеспечивающим точность измерения, является строго фиксированная и неизменная форма входного сигнала (предпочтительно - синусоида).

Контрольные вопросы:

1 Какой метод используется в преобразователях временного интервала в код?

2 Объясните схему работы преобразователя временного интервала в код.

3 Причины возникновения погрешности в преобразователе временного интервала в код?

4 Наиболее распространенный метод преобразования фазы в код?

5 Пути повышения точности преобразования фазы в код.

6 Что используется в качестве измеряемой величины для преобразования частоты в код?

7 Охарактеризуйте способы преобразования частоты в код.

Лекция 10 Преобразователи напряжения в код, построенные по принципу последовательного счета. Способы преобразования напряжения в код. Преобразователь последовательного счета (с обратной связью). Преобразователь с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал. Интегрирующие преобразователи