Преобразователи напряжение-частота

На базе преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости. Существует несколько видов ПНЧ. Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса. Структурная схема такого ПНЧ приведена на рис. 17. По этой схеме построена ИМС VFC-32 (отечественный аналог - 1108ПП1).

Работает ПНЧ следующим образом. Под действием положительного входного сигнала U _вх напряжение U _и на выходе интегратора И уменьшается. При этом ключ S разомкнутый. Когда напряжение U _и уменьшится до нуля, компаратор К переключается, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс стабильной продолжительности Т _и, управляющего ключом. Последовательность этих импульсов является выходным сигналом ПНЧ. Ключ замыкается и ток I _оп течение Т _и поступает на вход интегратора, вызывая увеличение выходного напряжения интегратора. Далее описан процесс снова повторяется

Рис.17 Структурная схема ПНЧ

Импульсы тока I _оп уравновешивают ток, который вызван входным напряжением U _вх. В установившемся режиме

Отсюда следует

(14)

где U _вх.с - среднее значение входного напряжения за период Т. Выражение (14) показывает, что точность преобразования определяется точностью установки опорного тока I _оп, точностью выдержки длительности импульса одновибратора Те, а также точностью резистора R. Емкость конденсатора интегратора не влияет на частоту ПНЧ.

Рис.18 Блок-схема АЦП на основе ПНЧ

Таким образом, по существу ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. Для его преобразования в двоичный позиционный можно использовать счетчик. Схема интегрирующего АЦП на базе ПНЧ приведена на рис. 18. Двоичный счетчик подсчитывает количество импульсов, поступивших от ПНЧ за период Т _{отлитое} = 1 / f _{отлитое,} задаваемый отсчетным импульсами, которыми содержимое счетчика заносится в выходной регистр-защелку. Вслед за этим происходит обнуление счетчика. Количество импульсов n, подсчитанных счетчиком за время Т _{отлитое,}

Здесь U _вх.сер - среднее значение входного напряжения за весь период Т _{отлито.}

Можно заметно повысить точность ПНЧ, если вместо одновибратора включить тактований импульсами стабильной частоты D-триггер. Нетрудно убедиться (рис. 16), что в этом случае ПНЧ превращается в однобитных сигма-дельта модулятор