Частотно-цифровые преобразователи

В современном мире средства измерения и контроля часто применяют измерительный преобразователи с частотно-временными формами представления выходных электрических сигналов (частотно-временные преобразователи), совмещающие в себе простоту и универсальность, свойственные ИП с токовыми и потенциальными выходами, характерное высокой точностью преобразования и помехозащищенностью, характерными для ИП с цифровым выходом.

ЧВП в сочетании с устройством последующей цифровой обработки информации представляет собой так называемый частотно-цифровые преобразователи ЧЦП, которые являются одними из наиболее перспективных устройств, применяемые повсеместно в автоматических средствах измерения и контроля.

Частотно-временные сигналы и частотно-временные преобразователи

Частотно-временной сигнал (ЧВС) представляет собой последовательность импульсов, переменным параметром которым является:

- либо частота f,

- либо период T,

- либо длительность импульсов t.

Применительно к ЧВП значения этих переменных связаны определенной математической зависимостью с измеряемым сигналом x(t). Т.о. в ЧВП возможны 3 вида модуляции выходной последовательности импульсов измеряемых сигналов x(t).

Модуляция бывает:

частотная,
периодная,
широтная.

На рисунке 7.1 приведены закон изменения измеряемого сигнала (а) и далее 3 вида сигналов, а именно последовательности импульсов U(t). Это и есть соотвествие 3 видам модуляции:

Сигнал частотно импульсный (ЧИМ – сигнал) 71б

где -постоянная составляющая сигнала; - девиация частоты (информационнная составляющая); - глубина модуляции ЧИМ-сигнала; .

Время-импульсный сигнал (ВИМ – сигнал) 71в

Здесь модуляция подвергается периоду следования выходных импульсов преобразователя.

Широтно-импульсный сигнал (ШИМ - сигнал) 71г

ШИМ – сигнал представляется как импульсная последовательность с постоянным периодом

и меняющейся длительностью

импульсов.

;

Каждая из этих форм импульсной модуляции имеет разновидности.

Все формулы здесь описывают формы импульсной модуляции, а так же их графическое изображение.

Выражение 7.1 описывает некоторые непрывную функцию времени, то график на рис 7.1 показывает в первую очередь изображение последовательности импульсов, у которых параметры могут быть определены:

- по истечению определенного заданного времени,

- либо по завершению длительности заданного импульса,

- либо когда наступит очередной импульс

Поэтому дискретный характер сигналов на выходе ЧВП предполагает определённое квантование по уровню исходного сигнала x(t), что приводит к появлению определённой погрешности при восстановлении непрерывной функции x(t) по ее импульсной реализации.

Измерительные преобразователи, такие как фотоимпульсные, индукционные, струнные обеспечивают получение информации непосредственно в частотной или частотно-импульсной форме.

Другая группа измерительных преобразователей (параметрическая), в нее входят ёмкостные, индуктивные преобразоваетели, встраиваются в схемы управляемых генераторов. Этим они обеспечивают получение выходного сигнала в виде частотно-модулированного напряжения синусоидальной или импульсной формы.

Так же бывает применение периодной и широтной модуляции временных параметров сигнала.

Кроме заявленных видов частотно-временных преобразователей для получения частотных сигналов используют обычные аналоговые измерительные преобразователи, у которых выходной сигнал это есть уровень постоянного тока или напряжения, который поступает на дополнительный частотно-временной модулятор (он может быть так же преобразователем тока), или напряжения в частоту или период.

Все это приводит к тому, что в средствах измерений и контроля применяют широкую номенклатуру ЧВП, предназначенных для измерения различных физических величин.

Такое интенсивное развитие ЧВП и приборов на их основе обусловлено следующими причинами:

1) При передачи информации с различными законами модуляции частотные сигналы обладают наивысшей помехозащищенностью.

2) При проектировании многоканальных измерительных систем вопрос коммутации сигналов является одним из приоритетных.

Паразитные ЭДС, переходные сопротивления коммутаторов, температурные и временные нестабильности коммутаторов. а так же взаимное влияние каналов приводит к появлению значит погрешностей коммутируемы уровней постоянного тока или напряжяний, в особенности малых значений.

Коммутация сигналов больших уровней позволяет повысить точность передачи информации, а так же производить коммутацию частотных сигналов практически без потери прочности. При этом сами коммутаторы могут быть построены по простым схемам.

3) При использовании ЧВП открывается принципиальная возможность получения значительно лучших метрологическиз характеристик, чем при использовании любых других типов преобразователей.

Данное преимущество основано на том, что измерение ЧВС сводитья в основном к счету периодов либо самого сигнала, либо опорного сигнала в течение определённого времени или же операций, которые по простоте и точноти превосходят все известные методы аналогово-цифрового преобразования.

4) ЧВС в импульсной форме является одной из разновидностей цифрового унитарного кода для приема и передачи преобразований, которого можно применять обычные элементы цифровой техники.

5) Специфика ЧВС позволяет производить ряд операций над модулирующими функциями, которые по простоте схемного решения и точности выполнения не имеют равных как в аналоговой,так и в цифровой технике.

Например, интегрируещее устройство, выполняемое на основе счётчика импульсов, имеет передаточную функцию идеального интегратора.

6) Простота преобразования ЧВС цифровой эквивалент, т.е. код. и обратно позволяет строить системы с чередующимися цифровыми и частотно-цифровыми трактами (промежутками).

Это дает возможность значительно упростить структуру системы и применить оптимальный алгоритм обработки информации, что достигается в частности с помощью микропроцессных комплектов и частотно цифровывых узлов обработки информации.

Для преобразования выходных сигналов частотно-временны преобразователей в цифровую форму, используются ЧЦП, которые можно подразделить на: