ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В ЦИФРОВОЙ КОД

THE CONVERSION OF ELECTRICAL QUANTITIES INTO DIGITAL CODE

Alina Anchihrova

graduate student, Department of design and technology RES, Arzamas Polytechnic Institute (branch of NSTU) named after R.E. Alekseev,

Russia, Arzamas

АННОТАЦИЯ

Повышение точности преобразования сигнала путем снижения температурной погрешности.

ABSTRACT

Improving the accuracy of signal conversion by reducing the temperature error.

Ключевые слова: сигнал, температурная погрешность, преобразователь

Keywords: signal, temperature error, converter.

Все современные системы автоматического управления строятся на цифровых сигналах. Часть элементов управления и сенсорных систем имеют в своей основе аналоговые цепи преобразования сигналов. Использование их контуре управления возможно только с применением оцифрованного аналогового сигнала. Причем процесс оцифровки сигнала должен вводить минимум погрешности в преобразованный сигнал.

На сегодняшний день с развитием микроэлектроники на рынке существует огромное множество микросхем позволяющих осуществить оцифровку аналогового сигнала. Но т.к. требования к точности оцифровки постоянно растут, актуальной остается задача создания АЦП с высокой точностью преобразования сигнала.

Одним из распространенных способов оцифровки сигналов является преобразование его в частоту через интегратор, вход которого соединен с выходом генератора и транзистора, который управляется компаратором и служит для сброса заряда с интегратора. Несмотря на простоту преобразования данный способ не получил широкого применения из-за низкой точности.

В более сложных преобразователях, содержащих интегратор, входной резистор, соединенной с входной шиной устройства, компаратор, вход которого подключен к выходу интегратора, кварцевый генератор, первый вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, а второй вход - с выходом кварцевого генератора, источник опорного напряжения, двухпозиционный ключ, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, коммутируемый вход двухпозиционного ключа подключен к выходу источника опорного напряжения, первый выход двухпозиционного ключа подключен через резистор обратной связи с вторым входом генератора, а второй выход двухпозиционного ключа соединен с общей шиной устройства.

Основным недостатком описанного способа преобразования является высокий уровень температурной погрешности из-за влияния температуры на входные каскады интегратора. Это приводит к температурной погрешности крутизны преобразования. Уравнение преобразования данного метода имеет вид:

                                                                                 ₍₁₎

где F – выходная частота;

 - входное напряжение;

 - опорное напряжение;

 - сопротивление входного резистора;

 - сопротивление резистора обратной связи;

 - сопротивление открытого ключа;

 - стабильное время заряда.

Зависимость сопротивления от температуры в первом приближении описывается уравнениями:

где: 

 - значение сопротивлений при начальной температуре;

 - температурные коэффициенты изменения сопротивления соответствующих резисторов;

 - приращение температуры.

Если разложить зависимость (1) в ряд Тейлора по вариации сопротивления,  то первый член разложения после подстановки сопротивлений будет являться температурной погрешностью преобразования:

Оценка погрешности по данной формуле для реальных преобразователей составляет в среднем от 0,2 % до 0,5%. Преобразователь с такими параметрами неприменим в прецизионной технике.

Повышения точности преобразования можно достичь введением цепочки из последовательно соединенных двухпозиционных ключей, в которой коммутируемый вход первого ключа через  входной резистор подключен к входной шине устройства, коммутируемый вход каждого последующего ключа соединен с обоими входами предыдущего ключа, оба выхода последнего ключа соединены с  первым входом интегратора, управляющие входы всех ключей соединены с общей шиной устройства. Количество ключей в цепи определяется целой частью отношения:

где:

 - сопротивление входного резистора;

 - сопротивление резистора обратной связи;

Введение в преобразователь описанный выше цепи последовательно соединенных двухпозиционных ключей, идентичных ключу в цепи опорного напряжения изменяет уравнение преобразования (1) до вида:

                                                                                    ₍₂₎

Температурная погрешность для данного вида преобразования имеет вид:

                                                       ₍₃₎

Так как отношение резисторов  и  может быть дробным числом, а m – целое округленное число, то для оценки максимально возможной погрешности положим:

С учетом данного допущения выражение (3) примет вид:

                                                        (4)

Числовая оценка температурной погрешности, посчитанной по формуле (4) при тех же параметрах резисторов составляет порядка 0,02-0,04%.

Схематично устройство преобразователя показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Устройство преобразователя напряжение-частота

Преобразователь напряжения в частоту содержит интегратор (1), входной резистор (2), входную шину (3) устройства, компаратор (4), кварцевый генератор (5), формирователь (6)  импульсов, источник опорного напряжения (7), двухпозиционный ключ (8), резистор обратной связи (9), цепочку из m двухпозиционных ключей.

Входное напряжение через входной резистор (2) открывает ключи m и постоянно поступает на первый вход интегратора (1). На второй вход интегратора периодически (период зависит от входного напряжения) поступает опорное напряжение от источника (7) через открытый ключ (8) и резистор (9) обратной связи. Ключ (8) открыт в течение времени , сформированного формирователем импульсов (6) из частоты кварцевого генератора (5).

В это время происходит заряд конденсатора интегратора (1) под действием разности токов, вызванных напряжениями  до некоторого уровня . Далее после отключения источника опорного напряжения ключ (8) замыкает выход источника опорного напряжения (7) на общую шину электропитания, и конденсатор интегратора (1) разряжается под действием  до 0. Компаратор (4), включенный, например, в режиме детектора нуля, при переходе входного напряжения через ноль меняет свое состояние и  запускает формирователь импульсов (6), который, в свою очередь, открывает ключ (8) для прохождения напряжения  на вход интегратора (1). Далее вновь начинается процесс зарядки. Частота повторения циклов «заряд-разряд» или частота повторений импульсов на выходе компаратора (4).

Минимальная температурная погрешность данного преобразователя достигается при условии:

При соблюдении данного равенства идеальное уравнение преобразования будет иметь вид:

                                                                                        ₍₅₎

Из уравнения (5) видно, что функция преобразования не зависит от температуры, таким образом, применение описанного выше преобразователя позволит снизить температурную погрешность и обеспечить за счет этого более высокую точность преобразования.

Список литературы

1. Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов. Практический подход: 2-е издание. — Пер. с англ. — М.: Вильямс, 2004.
2. Шахов, Э. К. Современные тенденции в развитии интегрирующих АЦП // Датчики и системы, 2005, №9.