АЦП с преобразованием напряжения в частоту (ПНЧ)

Принцип работы АЦП данного типа основан на преобразовании напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, которая затем измеряется за фиксированный интервал времени.

Работа преобразователя описывается соотношением:

N = ¦×T_ИЗМ = a×U_ВХ×T_ИЗМ, (8.9)

где a — величина, обратная крутизне преобразования напряжения в частоту;

¦ — выходная частота преобразователя напряжения в частоту.

Рассмотрим распространённый вариант такого преобразователя(рис.2.7). В него входят такие элементы, как интегратор на основе ОУ, источник опорного напряжения, компараторы, а также генератор прецизионных импульсов тока. Работа преобразователя основана на том, что скорость изменения выходного напряжения интегратора пропорциональна входному напряжению, поэтому если фиксировать компараторами некоторый небольшой диапазон изменения этого напряжения и оп достижении верхней границы возвращать интегратор в исходное состояние, то частота пилообразного напряжения на его выходе будет пропорциональна входному напряжению.

Другим не менее распространённым вариантом является преобразователь на базе интегрального таймера(рис.2.7а)

Рис. 8.7а

Действие схемы следующее: резисторная цепочка делителя напряжения, включающая три одинаковых резистора, устанавливает пороговые напряжения верхнего и нижнего компараторов 2/3U₀ и 1/3U₀ соответственно. Хронирующий цикл схемы начинается с запускающего входного импульса ниже значения нижнего порога 1/3U₀. Нижний компаратор изменяет состояние, и управляющий триггер переключает выход на его высокий уровень и запирает управляющий транзистор. Это позволяет внешней ёмкости С заряжаться до U₀ через внешний резистор R1. Когда напряжение внешней ёмкости достигнет верхнего порога напряжениякомпаратора , верхний компаратор изменит состояние, что будет причиной для управляющего триггера вновь возвратиться к исходному положению. Выход таймера возвратится на нижний уровень, и транзистор отопрётся для быстрого разряда внешней ёмкости. Выход является высоким только во время цикла заряда ёмкости, который определяется значениями R1и С.

u_C(t) = U_П – (U_П – U_С(0))×, (8.10)

где u_C —напряжение на емкости.

u_C(t) = U_П – (U_П – U_П)×. (8.11)

U_П = U_П×. (8.12)

t = R1×C×ln 2. (8.13)

С×DU = I×Dt, (8.14)

Dt === T_ИЗМ. (8.15)

¦==. (8.16)

Рис. 8.8

U_R = I×R = U_ВХ. (8.17)

I = , (8.18)

¦_ВЫХ = ×U_ВХ. (8.19)

Динамический диапазон такого преобразователя составляет 60-80 дБ и ограничен сверху временем разряда конденсатора ключевым транзистором таймера. Последний интервал составляет 20-50 нс, что соответствует верхнему граничному значению частоты преобразователя 1‑2 МГц при нелинейности передаточной характеристики преобразователя 0,1‑0,5 %.

T= T_ПР + T_ОБР. (8.20)

при ¦= 1 кГц= 50×10^-6; при ¦ = 1 МГц = 5×10^-2.

Снизу динамический диапазон ограничен качеством выполнения преобразования напряжения в ток (симметричностью токового зеркала). Динамический диапазон составляет 60‑80 дБ.