WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра “Электротехника” ИССЛЕДОВАНИЕ АЦП ДВУХТАКТНОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ Методические указания к лабораторной работе ВОЛГОГРАД 2003 УДК 681. 322 Рецензент Е. Г. Зенина Исследование АЦП двухтактного интегрирования. Методические указания к лабораторной работе / Емельянов А. В., Шилин А. Н.: метод. указ. / ВолгГТУ – Волгоград. – 22 с.

Методические указания содержат описание принципа действия АЦП двухтактного интегрирования с приведением блок-схемы с временными диаграммами, теоретических основ анализа его работы и функций влияния различных факторов на погрешность преобразования, а также лабораторной установки и методики проведения лабораторной работы и предназначены для студентов изучающих дисциплины: “Метрология, стандартизация и сертификация”, “Приборы и методы физического эксперимента”, “Электротехника и электроника” и “Электроника”.

Лабораторная работа рассчитана на 4 часа аудиторных занятий и на самостоятельную подготовку.

Ил. 7, библиогр. 5 - назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета.

© Волгоградский государственный технический университет, 2003 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение принципа действия аналого-цифрового преобразователя двойного интегрирования. Исследование функций влияния различных факторов на погрешность преобразования и его помехоустойчивость.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 2.1 Введение Основными устройствами измерительной техники и информационно- управляющих систем являются измерительные преобразователи. Основные требования, предъявляемые к преобразователям, – это точность и быстродействие измерения, а также минимальное влияние окружающей среды на их работу. Кроме основной функции измерения, эти устройства выполняют также математические операции по обработке измерительных сигналов. Одной из основных математических операций в измерительных устройствах является операция вычисления отношения измерительных сигналов, которая используется например, при реализации спектрального метода измерения температуры нагретых изделий и влажности различных материалов, а также при коррекции мультипликативной составляющей погрешности за счет введения в устройство эталонного источника сигналов.

Необходимо отметить, что для цифровых систем управления, наиболее перспективны измерительные преобразователи с частотными и времяимпульсными выходными сигналами, поскольку эти сигналы довольно просто преобразуются в цифровой код. Наибольшими потенциальными возможностями для решения измерительных задач с вычислением отношения сигналов и представлением результата измерения в цифровой форме обладают интегрирующие преобразователи “напряжение (ток) – частота” или “напряжение (ток) – время”.

В измерительной технике широко используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП) “напряжение-время”, основанный на методе двойного (двухтактного) интегрирования с заданной длительностью первого этапа.

Емельянов А.В., Шилин А.Н. Исследование АЦП двухтактного интегрирования ВолгГТУ, К О П И Я 2.2. АЦП двухтактного интегрирования Метод двойного интегрирования заключается в следующем: вначале разряженный интегрирующий конденсатор заряжают определенное время током, пропорциональным измеряемому напряжению, а затем разряжают определенным током до нуля. Время, в течение которого происходит разрядка конденсатора, будет пропорционально измеряемому напряжению. Это время измеряют с помощью счетчика импульсов; с его выхода сигналы подают на вход цифровой управляющей системы или на индикатор.

Рассмотрим работу АЦП подробнее. Он состоит (рис. 1) из аналоговой и цифровой частей. Аналоговая содержит электронные ключи S1 – S9, буферный операционный усилитель (ОУ) DA1, работающий в режиме повторителя, ОУ DA2 - интегратор, а также компаратор DA3. В цифровую часть входят генератор G1, логическое устройство DD1, счетчик импульсов CT, регистр памяти RG с выходным дешифратором DC.

На входы АЦП подают измеряемое Uвх и опорное Uoп напряжения. Цикл измерения (рис. 2) состоит из двух этапов интегрирования сигнала: (t1 – t2) – зарядки интегрирующего конденсатора (ЗИ) и (t2 – t3) – разрядки интегрирующего конденсатора (РИ), а также этапа автоматической коррекции нуля (АК). Каждому этапу соответствует определенная коммутация элементов преобразователя, выполняемая ключами S1 – S9 на транзисторах структуры МОП. На рис. 1 надписи у ключей обозначают этап, в течение которого "контакты" замкнуты. Длительность каждого этапа пропорциональна периоду тактовой частоты, которая определяется выражением fт = f / 4, где f – частота генератора G1.

В течение первого этапа (t1 – t2) (см. рис. 2), длящегося 1000 (для данной работы) периодов тактовой частоты [5], входной сигнал через ключ S1 и буферный усилитель DA1 поступает на вход интегратора DA2. Это вызывает на конденсаторе Синт накопление заряда, пропорционального и соответствующего по знаку приложенному входному напряжению. Напряжение на выходе Емельянов А.В., Шилин А.Н. Исследование АЦП двухтактного интегрирования ВолгГТУ, К О П И Я интегратора DA2 изменяется с постоянной скоростью, пропорциональной входному сигналу (рис. 2).

Рис. 1. Структура АЦП двойного интегрирования Предположим, что к моменту времени t1 заряд на конденсаторах Синт и Сак и напряжение смещения нуля ОУ DA1 - DA3 равны нулю (Сак - запоминающий конденсатор узла автоматической коррекции "нуля"). Пусть также конденсатор Соп уже заряжен от источника опорного напряжения до Uoп. Так как входной ток интегратора DA2 мал, изменения напряжения на конденсаторе Сак не происходит, и он фактически не оказывает влияния на процесс интегрирования. Во время первого этапа (t1 – t2) компаратор DA3 определяет знак входного напряжения по знаку напряжения на выходе интегратора DA2.

Чувствительность компаратора DA3 такова, что он правильно определяет полярность входного сигнала, даже если сигнал существенно меньше единицы отсчета.

В момент времени t2 напряжение на выходе интегратора определяется выражением tUинт = - (1) вх U dt, tгде = RинтCинт - постоянная времени интегратора.

При работе АЦП на втором этапе (t2 – t3) входной сигнал на интегратор Емельянов А.В., Шилин А.Н. Исследование АЦП двухтактного интегрирования ВолгГТУ, К О П И Я DA2 не поступает (см. рис. 1). К его входу выключатели S5, S6 (если Uвx > 0) или S4, S7 (если Uвx < 0) присоединяют заряженный до опорного напряжения конденсатор Соп, причем в такой полярности (этим и обусловлен выбор той или иной пары выключателей), при которой происходит разрядка конденсатора Синт.

Рис. 2. Временная диаграмма работы ОУ DA1 и интегратора DAРазрядка длится до тех пор, пока конденсатор Синт не разрядится полностью, т. е. напряжение на выходе ОУ DA2 не станет равным нулю. В этот момент срабатывает компаратор DA3, завершая этап T2.

t2 t1 Uинт = вх оп U dt + U dt = 0, t1 tоткуда Uвх (t2 - t1) Uоп (t3 - t2 ) =, или UвхT1 = UопT2.

Время разрядки конденсатора Синт, выраженное числом периодов тактовых импульсов, и есть результат измерения, записанный в счетчике CT Uвх 1000 Uвх 1000Uвх N = fтT2 = fтT1 = fт =. (2) Uоп fт Uоп Uоп Состояние счетчика переписывается в регистр RG, а затем преобразуется в сигналы семиэлементного кода, которые поступают на индикатор HG1.

Как следует из последней формулы, метод двойного интегрирования нечувствителен к изменению частоты тактирования или скорости интегрироваЕмельянов А.В., Шилин А.Н. Исследование АЦП двухтактного интегрирования ВолгГТУ, К О П И Я ния, особых требований к стабильности Rинт и частотозадающим элементам генератора G1 не предъявляется.

На рис. 3 показано изменение напряжения на выходе ОУ DA2 при Uвх < Uоп для различных постоянных времени интегратора и f = const (рис. 3, а); для различных рабочих частот f и = const (рис. 3, б).

Рис. 3. Диаграммы работы интегратора DA2 при различных, и f Этап автокоррекции начинается с прекращения работы счетчика CT, когда логическое устройство DD1 "замыкает контакты" выключателей S2, S3 и S9. В результате усилители DA2 и DA3 оказываются охваченными отрицательной обратной связью с коэффициентом, равным 1, вследствие чего их суммарный коэффициент усиления становится равным единице. На нижней (по схеме) обкладке конденсатора Cак устанавливается напряжение, равное сумме напряжения смещения усилителя DA2 и приведенного напряжения смещения усилителя DA3. На верхней же обкладке этого конденсатора будет присутствовать напряжение смещения усилителя DA1. Таким образом, на конденсаторе Cак на этапе автокоррекции запоминается напряжение ошибки, обусловленное смещениями всех трех ОУ (DA1 – DA3). В последующих двух этапах интегрирования (t1 – t2) и (t2 – t3) ключ S9 размыкается и напряжение на Cак вычитается из входного сигнала ОУ DA2. Таким способом удается уменьшить суммарное напряжение смещения АЦП до значения, не превосходящего 10 мкВ (для данной работы).

В этапе автокоррекции осуществляется также заряд конденсатора Cоп опорным напряжением Uоп.

Емельянов А.В., Шилин А.Н. Исследование АЦП двухтактного интегрирования ВолгГТУ, К О П И Я 2.3. Особенности работы АЦП применённого в данной работе Ядром описываемой работы является микросхема АЦП серии 7106 (отечественный аналог 572ПВ5), выполняющая также функции управления жидкокристаллическим индикатором [5]. Рассмотрим некоторые особенности её работы.

Пределы входного напряжения устройства зависят от опорного напряжения Uoп и определяются соотношением Uвх max = ±1,999Uоп. Рекомендуемые значения Uoп – это 1 В или 0,1 В. В этом случае диапазон входных сигналов будет ± 1,999 В, а во втором ± 0,1999 В.

При знаке напряжения Uвx, противоположном указанному на рис. 1, на индикаторе HG1 индицируется знак "минус". При перегрузке, когда Uвх > 1,999Uоп, на индикаторе остается лишь цифра 1 в старшем разряде и знак "минус" (для отрицательного напряжения).

Как уже было указано, АЦП измеряет отношение значений напряжения на входах Uвх, и Uoп. Поэтому возможны два основных варианта его применения. Традиционный вариант – напряжение Uoп неизменно, Uвх меняется в пределах ± 2Uoп (или от 0... 2Uoп). Изменение напряжения на конденсаторе Синт и на выходе интегратора DA2 для этого случая показано на рис. 4, а. При втором варианте (рис. 4, б) напряжение Uвх остается постоянным, а меняется Uoп. Возможен и смешанный вариант, когда при изменении измеряемой величины меняются и Uвx, и Uoп.

Рис. 4. Диаграммы работы интегратора DA2 при различных Uвх, и Uoп Напряжение на входах и выходах ОУ, входящих в состав АЦП, не должно Емельянов А.В., Шилин А.Н. Исследование АЦП двухтактного интегрирования ВолгГТУ, К О П И Я выводить их за пределы линейного режима работы. Для ОУ, изготовленных по технологии КМОП, сигнал на входах и выходах может изменяться в диапазоне питающих напряжений (для данной работы ± 5 B).

Для обеспечения максимальной точности измерения желательно, чтобы одно из крайних значений напряжения на конденсаторе Синт, меняясь в широких пределах, приближалось к максимально возможному. Это и определяет правильный выбор элементов интегратора Cинт Rинт = 1000Uвх /(Uинт fт ).

Кроме того, необходимо обеспечить оптимальный интегрирующий ток Iинт = Uвх / Rинт ОУ DA2, для АЦП используемого в данной работе, – 4 мкА [5]. При пониженном значении этого тока показания ЖКИ становятся нестабильными.

Линейность функции преобразования “напряжение – время”, и в частности данного АЦП, в значительной степени зависит от качества конденсатора Cинт, и прежде всего от диэлектрической абсорбции этого конденсатора [5].

Наилучший результат даёт использование конденсаторов с полистироловым или полипропиленовым диэлектриком (К71-5, К72-9, К73-16, К73-17) [1].

При работе АЦП в условиях помех на полезный входной сигнал может накладываться напряжение помехи. Как правило, это помехи от промышленной сети частотой 50 Гц или 60 Гц.

В этом случае на входе интегратора DA2 (или выходе ОУ DA1) действует сумма полезного сигнала и помехи (см. рис. 5), в данном случае синусоидальной формы. Интегрирование суммарного сигнала происходит на первом этапе (t1 – t2), а на втором этапе (t2 – t3) входной сигнал отключается. Как видно из рис. 5, зависимость uинт(t) на первом этапе теперь не является линейной. Если длительность первого этапа кратна периоду помехи, то в момент времени t2 значение Uинт останется таким же, как и при отсутствии помехи. То есть, для обеспечения максимальной помехоустойчивости АЦП должно выполняться соотношение:

T1 = k / fп или 4000 / f = k / fп откуда 4000 fп / f = k, (3) Емельянов А.В., Шилин А.Н. Исследование АЦП двухтактного интегрирования ВолгГТУ, К О П И Я где f – частота генератора G1, fп – частота помехи, k = 1, 2, 3, … – коэффициент кратности периода помехи.

Рис. 5. Временная диаграмма работы ОУ DA1 и DA2 при наличии помехи Таким образом, для ослабления сетевой помехи, например, частотой 50 Гц частота генератора G1 должна принимать одно из значений 200 кГц, 100 кГц, 66 кГц, 50 кГц, 40 кГц и т.д (Для АЦП серии 7106 рекомендуемые значения частот генератора G1 от 40 кГц до 240 кГц [5]).

2.4. Линеаризация статических характеристик АЦП двухтактного интегрирования Часто измерительные преобразователи имеют нелинейную градуировочную (статическую) характеристику, например, в оптико-электронных приборах для измерения температуры твердых тел это зависимость напряжения на выходе усилителя фототока от температуры тела. Для повышения точности измерения и технологичности производства устройств контроля необходима линеаризация их характеристик. В измерительной технике применяют различные способы: используют в качестве линеаризующих элементов диоднорезистивные цепи, транзисторы, логарифмические преобразователи. Основным недостатком этих способов является зависимость параметров полупроводниковых элементов от температуры.

Как уже было указано выше, АЦП двойного интегрирования осуществляет преобразование измеряемой величины (U или I) во временной сигнал. ПоЕмельянов А.В., Шилин А.Н. Исследование АЦП двухтактного интегрирования ВолгГТУ, К О П И Я этому в устройствах контроля, использующих такие АЦП для линеаризации статических характеристик, целесообразно использовать переходные процессы в RC цепях.

Например, в оптико-электронном преобразователе зависимость напряжения на выходе усилителя фототока от температуры тела Uф = f (), в простейшем случае, может быть аппроксимирована экспоненциальной функциией. Это напряжение непосредственно измеряется АЦП, т.е. Uф = Uвх. Из теории измерительной техники известно, что для линеаризации статической характеристики АЦП необходимо, чтобы функция развертки совпадала с функцией характеристики. Другими словами, если зависимость выходного кода АЦП от входного и опорного напряжений N = f (Uвх,Uоп ), является, как, например, для нашего случая экспоненциальной, то градуировочная характеристика прибора N = f () будет линейной.

Для получения нелинейной (экспоненциальной) развертывающей функции (рис. 6) к интегратору подключается (см. рис. 1) с помощью ключа Sдополнительный резистор Rдоп.

Рис. 6. Диаграмма работы интегратора DA2 в нелинейном режиме Определим функциональную связь между входными и выходными сигналами АЦП. Напряжение на выходе операционного усилителя DA2 в конце первого этапа определяется с помощью выражения:

Rдоп pTU1 = - Uвх(1- e ), где p = -1/ RдопCинт.

Rинт Емельянов А.В., Шилин А.Н. Исследование АЦП двухтактного интегрирования ВолгГТУ, К О П И Я Напряжение на выходе операционного усилителя DA2 в конце второго этапа равно нулю, причем напряжения Uвх и Uоп имеют различную полярность Rдоп Uвх pT1 pTU2 = Uобр 1 - + (1- e )e = 0.

Rинт 1 Uоп Из этого выражения определим промежуток времени Т2, по величине которого определяется отношение напряжений Uвх pTT2 = RдопCинт ln1 + (1 - e ).

Uоп Выходной код преобразователя определяется выражением Uвх pTN = fтT2 = fтRдопCинт ln1 + (1 - e ). (4) Uоп Подбором Rдоп, Cинт, а также fт и Uоп добиваются линейности градуировочной характеристики преобразователя.

Линеаризация более сложных функциональных зависимостей статических характеристик АЦП требует использования и более сложных электрических цепей и в данной работе не рассматривается. Функция преобразования устройства в этом случае обычно задаётся не аналитически, а в виде графика или таблицы, и поэтому её необходимо аппроксимировать некоторой аналитической функцией. Выбор функции необходимо выполнять таким образом, чтобы она при наименьшей погрешности имела наиболее простую реализацию [4].

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.