Немного найдется методов аналого-цифрового преобразования, которые были бы более «зрелыми», чем классическая комбинация преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ) со счетчиком. Дискретизация с помощью ПНЧ основана на интегрировании, поэтому она естественным образом обеспечивает хорошее подавление шумов, как и программируемое разрешение (если вам нужно больше битов, просто считайте дольше). К сожалению, и по той же причине, высокой скорости преобразования нет. Точные ПНЧ высокого разрешения с микросекундными временами преобразования явно сложны, однако, по крайней мере, миллисекундные скорости определенно достижимы, как показано в этой статье.
Почти четыре десятилетия назад (в своей книге «Проекты высокопроизводительных преобразователей напряжения в частоту») знаменитый гуру аналоговых технологий Джим Уильямс описал пять фундаментальных методов преобразования напряжения в частоту. Первым в его списке, названном «наиболее очевидным», был ПНЧ с промежуточным преобразованием время-импульс. Поскольку я всегда был большим поклонником очевидного, простой ПНЧ, показанный на Рисунке 1, является вариацией на тему этой базовой схемы. Он адаптирован для работы от одной шины питания, имеет удобные и гибкие дифференциальные биполярные входы и приемлемую линейность при работе на частотах до 200 кГц. Вот как он работает.
 |
|
| Рисунок 1. | 200-килогерцовый ПНЧ с промежуточным преобразованием время-импульс, работающий от одной шины питания, с дифференциальными биполярными входами и приемлемой линейностью. |
Элементы A2, R1 и Q2 в совокупности образуют точный источник втекающего тока (коэффициент α транзистора Q2 равен примерно 0.998) с током коллектора Q2, равным
Неинвертирующий вход V1 может принимать напряжения от 0 до (2 В – V2), имеет очень высокий входное сопротивление (более 1 ТОм) и низкий ток смещения (10 пА). Инвертирующий вход V2 имеет более низкое сопротивление (10 кОм), но более широкий диапазон напряжений – от положительного, равного V1, до отрицательного, равного (V1 – 2 В). Если используется только один вход, второй следует просто заземлить. Напряжение смещение нуля составляет около 200 мкВ (0.01%).
Как показано на Рисунке 2 (желтая кривая), ток IC2 конденсатора C2 линейно снижает напряжение VC1 на времязадающем конденсаторе C1 емкостью 1 нФ от напряжения сброса 3.5 В до уровня запуска 2.5 В, обеспечиваемого источником опорного напряжения U1. Необходимое для этого время линейного спада определяется выражением:
Инвертирующий вход компаратора A1 подключен к конденсатору C1, а его неинвертирующий вход следит за опорным напряжением 2.5 В. Когда напряжение VC1 снижается до 2.5 В, запускается последовательность (довольно быстрых) событий.
Сначала выходное напряжение усилителя A1 достигает уровня 5 В, завершая рост, происходящий со скоростью 30 В/мкс примерно за 160 нс, причем скорость увеличивается за счет положительной обратной связи через конденсатор C4. В результате на выходе FOUT формируется импульс (зеленая кривая на Рисунке 2), и включается транзистор Q3, чтобы начать линейную перезарядку конденсатора C1. Тем временем конденсатор C3 соединяет выход Q3 с диодом D1, смещая его в обратном направлении и временно отводя ток IC2 от конденсатора C1, что создает забавные маленькие плоские полочки, которые можно увидеть на желтых и красных кривых Рисунка 2. Подробнее об этом позже.
 |
|
| Рисунок 2. | Формы напряжений в ПНЧ, где: VC1 – времязадающие пилообразные импульсы на конденсаторе C1, FOUT – выход на счетчик и A1 выв. 5 – неинвертирующий вход компаратора. |
Ток перезарядки C1 через эмиттер транзистора Q3 направляется в базу Q1, переводя Q1 в состояние насыщения и подключая верхний вывод резистора R3 к шине +5 В, в результате чего напряжение на неинвертирующем входе усилителя A1 (вывод 5) становится равным
(красная кривая на Рисунке 2). Перезарядка конденсатора C1 продолжается до тех пор, пока напряжение на выводе 5 усилителя A1 не достигнет напряжения 3.5 В на выводе 6, после чего A1 возвращается обратно к нулевому выходному напряжению, выключая транзистор Q3 (быстро, поскольку Q3 никогда не насыщается) и завершая импульс FOUT.
Между тем, выключение Q3 прерывает базовый ток транзистора Q1, позволяя ему восстановиться после насыщения (что занимает около 500 нс, состоящих в основном из времени накопления), выключиться и отпустить резистор R3. Это позволяет напряжению на выводе 5 усилителя A1 вернуться к значению опорного напряжения 2.5 В микросхемы U1, где оно ожидает окончания тайм-аута и следующего цикла ПНЧ.
Это также сбрасывает заряд, накопленный в конденсаторе C3 интегрированием тока IC2 во время сброса пилы, через диод D1 в конденсатор C1. Таким образом, цепь D1-C3 нивелирует интегральную ошибку нелинейности, которая обычно свойственна ПНЧ с преобразованием время-импульс из-за потери заряда во время интервала сброса пилы. Уильямс указывает на эту проблему в своем анализе топологии с промежуточным преобразованием время-импульс: «Серьезным недостатком такого подхода является время разряда-сброса конденсатора. Это время, «потерянное» при интегрировании, приводит к значительной ошибке линейности...». Спасибо за предупреждение, Джим!
Купить LM4040 на РадиоЛоцман.Цены
