Преобразователь напряжение-период улучшает скорость, стоимость и линейность дискретизации

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2013

Разработчики нередко используют преобразователи напряжение-частота (ПНЧ) для аналого-цифрового преобразования в системах сбора данных, требующих строго монотонной характеристики, высокого разрешения, пониженных шумов и умеренного быстродействия. ПНЧ вырабатывают последовательность импульсов с частотой, пропорциональной входному напряжению. Затем с помощью микроконтроллера или логической схемы формируются интервалы времени определенной длительности, и подсчетом количества импульсов на этом интервале получают цифровое значение напряжения.

Основной недостаток такого способа заключается в том, что для увеличения скорости преобразования разработчикам приходится повышать рабочую частоту ПНЧ, что приводит к ухудшению линейности.

В предлагаемой схеме входное напряжение преобразуется во временной интервал, а микроконтроллер использует этот интервал для подсчета количества импульсов собственного внутреннего генератора. Результаты получаются впечатляющими:

• Хорошая линейность, так преобразователь работает на низкой частоте
• Более быстрое аналого-цифровое преобразование за счет высокой тактовой частоты микроконтроллера
• Потенциально более простая программа или логика, от которых требуется лишь подсчет импульсов внутри периода, сформированного схемой
• Низкая цена

Самое главное, что увеличение частоты счета не ухудшает линейности преобразования, как это неизбежно происходит при использовании ПНЧ.

Схема показана на Рисунке 1. Она представляет собой видоизмененный ПНЧ [1], в котором входное напряжение V_IN и опорное напряжение V_REF поменялись ролями. Цепочка R₁-R₂ сдвигает входное напряжение таким образом, что оно всегда остается более положительным, чем опорное напряжение, и никогда не выходит из рабочей области преобразователя. В схеме использованы все четыре ключа микросхемы 74HC4066: два, включенных параллельно для снижения влияния нелинейности сопротивления канала, образуют переключатель S₁. Один ключ используется в качестве S₂, и последний, включенный параллельно интегрирующей емкости C_INT, является элементом узла запуска преобразования и управляется либо логической схемой во время инициализации, либо так, как описано в [1].

Рисунок 1.	В схеме использована модифицированная архитектура ПНЧ, где входное напряжение подается на вывод опорного напряжения, и наоборот.

При подаче питания на схему узел запуска преобразования закорачивает C_INT на время, пока мультивибратор IC₂ удерживается внутренними цепями в состоянии сброса. Ключ S₁ открывается, а S₂ закрывается. При этом левая по схеме сторона резистора R_INT соединяется с землей, а правая оказывается под потенциалом 0.2 В. По истечении времени запуска ключ, шунтирующий C_INT, размыкается, и конденсатор начинает заряжаться. Интегратор формирует линейно нарастающее напряжение. Когда это пилообразное напряжение достигнет уровня порядка 2.5 В, запускается мультивибратор. Вследствие этого ключ S₁ закрывается, а S₂ открывается. На правом выводе R_INT появляется положительный потенциал, зависящий от входного напряжения, но всегда превышающий 0.2 В. Ток через R_INT изменяет направление, и C_INT начинает разряжаться. После окончания каждого импульса мультивибратора цикл повторяется снова.

При изменении входного напряжения от 0 до 5 В период выходных импульсов меняется от 78 мкс до 578 мкс. Емкость интегрирующего конденсатора C_INT и уровень входного порога мультивибратора, имеющего триггер Шмитта, на взаимосвязь этого периода с входным напряжением влияния не оказывают. Заполнив этот период импульсами с частотой 10 МГц, получаем числа от 780 до 5780 – один отсчет на милливольт. Ошибка нелинейности равна одному отсчету, или ±0.02%, что неудивительно, когда максимальная частота равна всего лишь 12.8 кГц. Максимальное время аналого-цифрового преобразования составляет 578 мкс. Это в 8.65 раз быстрее, чем время преобразования ПНЧ, работающего на частоте 1 МГц, которому для подсчета 5000 импульсов длительностью 1 мкс потребовалось бы 5000 мкс. Короткая и простая интерфейсная программа очень похожа на программу, представленную в [2].

Из-за сдвига входного напряжения калибровка требует нескольких последовательных итераций: с помощью подстроечного резистора мультивибратора надо выставить чувствительность на уровне 100 мкс/В. Номинальная длительность импульса мультивибратора равна 26 мкс. Смещение в 780 отсчетов компенсируется в программе контроллера.

Как видно из Таблицы 1, характеристики преобразователя напряжение-период (ПНП) значительно лучше, чем ПНЧ [3, 4]. Удивительно, что ни один производитель не выпустил этот преобразователь в интегральном исполнении.

Ссылки

1. Dimitrov J., Inexpensive VFC features good linearity and dynamic range. EDN, Design Ideas, Dec 1, 2011, pp.47-48. Перевод: «Недорогой ПНЧ с хорошей линейностью и широким динамическим диапазоном», РадиоЛоцман, 2011, декабрь, стр. 56.
2. Dimitrov J., Linearize optical distance sensors with a voltage-to-frequency converter. EDN, Design Ideas, Apr 19, 2012, pp.47-48. Перевод: «Линеаризация оптических датчиков расстояния с помощью преобразователя напряжение-частота», РадиоЛоцман, 2012, июнь, стр. 74.
3. AD650 voltage-to-frequency and frequency-to-voltage converter.
4. VFC320 voltage-to-frequency and frequency-to-voltage converter.