СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 6/2016

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2016 Таблица 2. Параметры 15-канальной системы сбора информации на базе 32-разрядного микроконтроллера 1986ВЕ1Т и АЦП с ФАПЧ Наименование параметра Значение параметра Число разрядов АЦП 18 Число отсчётов АЦП 200 000 Приведённая погрешность преобразования Менее 0,1% в диапазоне температур –60…+125 ° С Рабочий диапазон входного сигнала, В 0,5…4,5 Вес младшего разряда выходного кода АЦП, мкВ 25 Уровень «шума» в выходном сигнале АЦП, мкВ 125 (в размахе) Полоса пропускания АЦП, Гц 80 Рабочая частота преобразователя с ФАПЧ, Гц 400 АЧХ АЦП Фильтр низкой частоты второго порядка с подавлением помех с частотами, кратными 400 Гц Тип АЦП с промежуточным преобразованием напряжения в длительность импульсов Способ преобразования Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) Используемые микросхемы Микросхема 2-канального ФАПЧ (БМК г. Зеленоград) 5503XM1У-653, 8 шт. но записать коды начала и конца импульса, это исключит ошибки, связанные с задержкой формирова- ния сигнала F 1 . Точное значение кода входного напряжения U x равно раз- ности между кодами конца и начала импульса. МК 1986ВЕ1 содержит ещё три Таймера, которые также могут работать в режиме «захвата», обеспе- чивая параллельное (независимое) преобразование 15 аналоговых сиг- налов в код. В таблице 2 приведены параметры 15-канальной системы сбора инфор- мации на базе 32-разрядного микро- контроллера 1986ВЕ1Т и АЦП с ФАПЧ. На рисунке 6 показан внешний вид раз- работанной системы. Ф АКТОРЫ , ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТОЧНОСТЬ АЦП С ФАПЧ АЦП с ФАПЧ является следящей системой с астатизмом второго поряд- ка. Установившееся значение ошиб- ки в таких устройствах равно нулю, а точнее – напряжение смещения на входе ОУ равно +U x / К осс (коэффици- ент ослабления синфазной составля- ющей ОУ). Например, ОУ 140УД31АТ, имею- щий входное напряжение смеще- ния 25 мкВ и коэффициент ослабле- ния синфазной составляющей более 110 дБ, гарантирует преобразование напряжения U x = 5 В в длительность импульсов с погрешностью менее 0,002%. Номиналы резисторов R1 и R3 (см. рис. 3) должны быть одинаковы- ми (±5%) для компенсации входных токов ОУ. Элементы R2, R4, С1 и С2 не влияют на точность АЦП, они влияют на динамические характеристики пре- образователя. У многих вызывает сомнение, что АЦП с ФАПЧ может устойчиво рабо- тать и с такой точностью. Действи- тельно, на входе ОУ сравнивают- ся два сигнала, постоянное напря- жение и прямоугольные импульсы разной скважности. Но, если посмо- треть осциллограммы напряжений (см. рис. 7) на входах +U x (жёлтый луч) и –U x (голубой луч) операцион- ного усилителя, то мы увидим, что два луча сливаются в одну линию. Это результат действия двух цепей отрица- тельной обратной связи (ООС). Пер- вая цепь по постоянному току через резистор R3, вторая цепь по перемен- ному току через резистор R4 и конден- сатор С2. ОУ, имеющий большой коэф- фициент усиления (>100 000), делает всё возможное, чтобы напряжения на входах («+» и «–») были равными с точ- ностью до мкВ. Выходное напряжение ОУ имеет сложную форму, обеспечи- вая постоянный уровень напряжения на входе –U x ОУ, равный напряжению на входе +U x . Происходит ослабление всех нелинейностей элементов схемы, охваченных отрицательной обратной связью. Поверить, что прямоугольный им- пульс превращается в постоянное напряжение за счёт ООС, очень труд- но, но это действительно так. Осцил- лограммы для разных уровней входно- го напряжения (1, 2 и 4 В), показанные на рисунках 7а, 7б и 7в, подтвержда- ют это. Напряжение на выходе ОУ управля- ет частотой и фазой ГУН. Так как ГУН является вторым интегрирующим эле- ментом в контуре ФАПЧ, то он реаги- рует только на постоянную составля- ющую этого сложного по форме сиг- нала. Р АЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ АЦП С ФАПЧ Сигналом обратной связи в схеме АЦП является выходной сигнал ФД. Это прямоугольный импульс, площадь которого (среднее значение напря- жения за период частоты преобразо- вания F 1 ) равна входному напряже- нию U x . ФД выполнен на элементах БМК, которые имеют время переклю- чения порядка 1 нс. ФАПЧ – это ана- логовое устройство. Длительность выходного импульса ФД может изме- няться с шагом и менее 1 нс, но надёж- но измерить длительность импуль- са можно только с шагом более 1 нс, например, 2 нс. На диаграмме совместной работы ФАПЧ и микропроцессора (см. рис. 5) видно, что тактовая частота МК опре- деляет разрешающую способность АЦП с ФАПЧ. В данном примере так- товая частота МК 80 МГц обеспечи- вает 200 000 отсчётов на частоте пре- образования F 1 = 400 Гц (2500 мкс – период) 200 000 = 80 000 000 / 400. Если уменьшить частоту преобразования до F 1 = 10 Гц, а частоту МК увеличить до 140 МГц, то можно повысить разре- шающую способность АЦП с ФАПЧ до 24 разрядов. На основании изложенного можно сказать, что разрешающая способность АЦП с ФАПЧ определяется быстродей- ствием (элементной базой) схемы ФД и тактовой частотой МК или счётчика, который формирует сигнал F 1 . Предель- ные рабочие частотыМК и логических элементов уже достигли уровня 1 ГГц и выше. Важно отметить, что потен- циальные возможности АЦП с ФАПЧ большие, а цена его низкая. При этом в устройстве только один прецизион- ный элемент – это операционный уси- Рис. 6. Плата 15-канального АЦП с ФАПЧ