Преобразователи напряжение-частота

На базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости. Существует несколько видов ПНЧ. Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса (Рис. 7.17). Работает ПНЧ следующим образом. Под действием положительного входного сигнала U _вх напряжение U _и на выходе интегратора И уменьшается. При этом ключ S разомкнут. Когда напряжение U _и уменьшится до нуля, компаратор К переключается, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс стабильной длительности Т _и, который управляет ключем. Последовательность этих импульсов является выходным сигналом ПНЧ. Ключ замыкается и ток I _оп в течение Т _и поступает на вход интегратора, вызывая увеличение выходного напряжения интегратора. Далее описанный процесс снова повторяется.

Импульсы тока I _оп уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением U _вх. В установившемся режиме

.

Отсюда следует

, (7.6)

где U _вх.ср - среднее значение входного напряжения за период Т. Выражение (7.6) показывает, что точность преобразования определяется точностью установки опорного тока I _оп, точностью выдержки длительности импульса одновибратора Т _и, а также точностью резистора R. Емкость конденсатора интегратора не оказывает влияния на частоту ПНЧ.

Рис. 7.18. Блок-схема АЦП на основе ПНЧ

Таким образом, по существу ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. Для его преобразования в двоичный позиционный можно использовать счетчик. Схема интегрирующего АЦП на базе ПНЧ приведена на рис. 7.18. Двоичный счетчик подсчитывает число импульсов, поступивших от ПНЧ за период Т _отсч=1/ f _отсч, задаваемый отсчетными импульсами, которыми содержимое счетчика заносится в выходной регистр-защелку. Вслед за этим происходит обнуление счетчика. Число импульсов n, подсчитанных счетчиком за время Т _отсч,

.

Здесь U_вх.ср - среднее значение входного напряжения за весь период Т _отсч.

Можно заметно повысить точность ПНЧ, если вместо одновибратора включить тактируемый импульсами стабильной частоты D -триггер. Несложно убедиться (см. рис. 106), что в этом случае ПНЧ превращается в однобитный сигма-дельта модулятор.