АЦП прямого преобразования являются наиболее простыми и часто встраиваются непосредственно в датчики. Основным функциональным элементом таких АЦП является преобразователь электрической величины (тока, напряжения, сопротивления, емкости и др.) во временной интервал или частоту. Примерами таких преобразователей может служить рассматриваемый ниже преобразователь постоянного положительного напряжения в частоту (рис. 4, б). Для преобразования временного интервала или частоты в цифровой код, что по существу является конечной задачей любого АЦП, выполняется ЭВМ в случаеАСУ или дополнительным устройством в случае автономного АЦП. Пример такого устройства, осуществляющего преобразование временного интервала в код, показан на рис. 4, а. В этом устройстве временной интервал задается программным ключом Т, имитирующим, например, ШИМ и определяющим количество импульсов, поступающих на четырехразрядный счетчик с генератора опорной частоты Us. Рассматриваемое устройство посуществу является частотомером. Если преобразуемая величина прямо пропорциональна периоду, то соответственно дополнительное устройство должно обеспеспечить преобразование периода в код.
Преобразователь на рис. 4, б выполнен на двух ОУ: усилитель OU1 используется в интеграторе, a OU2 — в регенеративном компараторе с гистерезисом. Когда выходное напряжение компаратора Uf имеет максимальное положительное значение U1, диод VD смещен в обратном направлении и напряжение Us на выходе OU1(см. осциллограммы на рис. 4, в) уменьшается по линейному закону со скоростью, определяемой амплитудой входного положительного сигнала Ui, до тех пор, пока не достигнет значения U1R1/R2. В этот момент компаратор переключается. В дpyгoe состояние, при котором напряжение на его выходе равно максимальному отрицательному значению U2, при этом диод VD открывается и выходное напряжение интегратора быстро нарастает до значения U2R1/R2, после чего компаратор возвращается в первоначальное состояние и цикл повторяется.
Так как время нарастания выходного напряжения интегратора значительно меньше времени спада, которое обратно пропорционально амплитуде входного сиг-
частота циклов повторения F будет прямо пропорциональна входному напряжению. Пренебрегая собственным временем переключения компаратора, можно записать следующее выражение для частоты выходных импульсов:
1000·Ui.»F = Ui·R3/[R1·CR4(U1 - U2)] (2)
На самом деле размах напряжения Us на выходе OU1 несколько больше величины (Rl/R2)(U1 - U2) из-за отличного от нуля значения времени переключения компаратоpa, а частота соответственно меньше значения, определяемого выраженинием 2), причем это расхождение будет особенно значительным при больших амплитудах входного сигнала.
С указанными на рис. 4, б номиналами элементов схема должна обеспечивать линейность преобразования не хуже ±1% в диапазоне изменения входных на- напряжений 20 мВ...10 В, при этом частота выходных импульсов F должна изменяться от 20 Гц до 10 кГц [25].
а)
| 
б)
|
| |
| Рис.4. АЦП прямого преобразования (а) и осциллограммы (в) сигналов на выходе интегратора (В) и компаратора (А) (б) |
Контрольные вопросы и задания
- Что из себя представляет АЦП прямого преобразования, в каких устройствах его целесообразно использовать?
- Проверьте работоспособность схемы на рис. 4, б и исследуйте зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения в диапазоне 20 мВ...10 В. Проверьте справедливость формулы (2).
- Какие дополнительные устройства необходимо подключить к схеме на рис. 4, б, чтобы получить цифровой отсчет измеряемого напряжения?