CC BY
68
Тетенькин Ю.Г.
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМ АЦП ДЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ РЕЗИСТИВНОГО И ЕМКОСТНОГО
ТИПА
Одним из наиболее перспективных направлений создания АЦП для
параметрических датчиков (АЦП ПД) является использование метода двухтактного интегрирования. Несмотря на простоту схемной реализации преобразователи такого типа обладают относительно высокими точностью, быстродействием, помехозащищенностью и функциональной гибкостью.
В наиболее перспективных вариантах АЦП ПД преобразуемый параметр включается непосредственно в цепь обратной связи интегратора, чем достигается устранение промежуточного преобразования 2х в напряжение Их , присущего традиционным методам двухтактного интегрирования. При этом в зависимости от вида параметра 2х коммутируются либо резисторы (преобразование Ях), либо конденсаторы
(преобразование Сх), входящие в состав интегратора АЦП [1,2].
На рисунке 1 показан АЦП ПД, обладающий большей функциональной гибкостью по сравнению с известными вариантами преобразователей двухтактного интегрирования.
В первом такте преобразования в момент времени 1;0 устройство управления УУ вырабатывает на своем управляющем выходе напряжение логической единицы Иу1= И1, которое переводит переключатели 81-82 в положение "1". При этом на вход БА2 поступает инвертированное и масштабированное с помощью БА1 опорное напряжение И0, заряжающее конденсаторы С1 и С2. По окончании фиксированного интервала времени 1;1-12=То, задаваемого УУ, на выходе БА2, будет присутствовать напряжение
11о( 1 + д ) ± 11см + 1~вхК и\(й) = ----------То + ик^о), (1)
т+К2
где 5= (±Цсм1--------+ 1вх1Я)/ио- погрешность операции масштабирования,
обусловленная неидеальностью ОУ БА1;
ик(1о)- напряжение срабатывания компаратора К в момент времени 1о
В момент времени УУ переводит переключатели АЦП в положение "2" и начинается второй такт преобразования, в котором БА2 интегрирует непосредственно опорное напряжение И0, подаваемое на его вход через переключатель 81. Отметим, что поскольку потенциал инвертирующего входа ОУ БА2 можно считать равным нулю ("виртуальный ноль") переключение конденсаторов С1 и С2 со входа БА2 на общий провод устройства и наоборот практически не изменяет потенциалов на этих
конденсаторах и на выходе БА2.
Выходное напряжение Б А
11о + 11см2- 1вх2Я
т{о=ит ----------------------------------------------------—-- л) (2)
в течение второго такта будет уменьшаться и в момент времени 1;2 достигнет напряжения срабатывания компаратора К Ик(12). Используя (1) и (2) можно получить, что длительность второго (информативного) такта Тх= 12-11 определяется выражением
К2С2
Тх = ——-То(\ + 5н) , (3)
тс\ ^ 7 w
К1 К1 КС 1
(1 + —){±11см\ ± 11см2 + 1~вх2Я) + 1~вх\Я\ + А11к--
с 1^2 1^2 То
где он =---------------------—--------:--------------------- - погрешность
1/о+1/см2-1 вх2К
преобразования, обусловленная неидеальностью статических параметров ОУ и
межтактовой нестабильностью ДЦк= Цк(1;2)-ик(1;о) напряжения срабатывания компаратора К.
Рисунок 1 - Функциональная схема и временные диаграммы работы ИП для емкостного
сенсора
Из выражения для Тх видно, что при размещении резистивных и емкостных ПД на месте соответствующих элементов АЦП возможно как прямопропорциональное, так и обратнопропорциональное преобразование информативных параметров Ях и Сх в интервал времени.
Количественный анализ (3) показывает, что при использовании бюджетных ОУ типа К544УД2 погрешность 5н в наихудшем случае (Цсм1 и Цсм2 имеют одинаковую полярность и максимальные по ТУ значения ±30мВ) может достигнуть ±1%.
Предварительная установка исм 1 =исм2~0 позволяет существенно снизить погрешность преобразования, которая в этом случае будет определяться лишь временным и температурным дрейфом напряжений Цсм. Учитывая реальный диапазон изменений информативных параметров ПД, можно показать, что температурная составляющая 8н не будет превышать 0,025%/10°С.
Влияние паразитных параметров соединительного кабеля на погрешность преобразования неодинаково при работе АЦП с резистивными и емкостными ПД. Из рисунка 1 видно, что при работе с резистивными ПД паразитные емкости С1п1, С1п2 и С1п3 кабеля практически не оказывают влияния на погрешность АЦП, так как подключены к точкам схемы, имеющим постоянные потенциалы. Влияние паразитных сопротивлений кабеля минимизируется известными методами, например, с помощью многопроводного подсоединения.
Иначе обстоит дело при работе АЦП с емкостными ПД. Влияние паразитных емкостей соединительного кабеля в этом случае проявляется двояко. Во-первых, при коммутации переключателей Б2, БЗ на выходе интегратора возникают скачки напряжения |ДШ|= Цсм2СП1/С1 и |ДЦ2|= Цсм2 Спг/С2, обусловленные зарядом паразитных емкостей кабеля напряжением смещения ОУ БА2. Погрешность преобразования
(/см2 КС 2 Сп\ (7/2
Зк = ~йо То~^С\+ С2^’
обусловленная этими скачками, может быть устранена в АЦП со сменой направления интегрирования [3] или при предварительной регулировке напряжения смещения Цсм—>0.
Во-вторых, паразитные емкости Сп1 и Сп2, подключенные к входу ОУ БА2 изменяют коэффициент передачи по цепи ОС, что приводит к возрастанию погрешности выполнения операции интегрирования. Учитывая, что из практических соображений обычно выбирают ЯС1« То, можно получить
1 С\ + Сп\ С2 + Сп2 С1 = ~ о)иТо^ С1 ~~ С2 С2^'
Считая, что Сп1* СП2 (преобразуемая и образцовая емкости конструктивно объединены), полученное выражение можно упростить
Сп\ (С2-С1)(С1 + С2)
= ------С1С22-------' (4)
Анализ выражения показывает, что при ±50% изменении информативного параметра ПД относительно образцовой емкости Со, погрешность преобразования 5ск будет находиться в пределах
(7/1 1 (7/1 1
-0,56-------—<3ск< 3----------—. (5)
С о о)и1 о Со о)и1 о
Согласно (5) существует две основных возможности уменьшения погрешности 5ск в рамках рассматриваемого алгоритма работы АЦП. Первую возможность, связанную с увеличением частоты единичного усиления 0)12 используемого ОУ, нельзя признать эффективной из-за ряда трудностей технологического и схемотехнического плана.
Другая возможность предусматривает рациональный выбор Со и То с учетом
реального диапазона изменений информативного параметра ПД. Полагая, что С1=Со,
С2=Сх=Со(1+а), выражение (5) можно представить в виде
Cnl 1 а( 2 + а)
Зек = ^---------;---, (6)
Со со12То (1 + а)
где а- коэффициент, зависящий от конструкции ПД и определяющий диапазон изменения Сх.
На рисунке 2 приведены графики зависимости 5cK=f(a,To), построенные на основании формулы (6). Из них видно, что погрешность преобразования 8ск существенно зависит не только от диапазона отклонений Сх, но и от его симметричности относительно начального значения.
Так, при симметричном изменении Сх (-0,5< a < 0,5) погрешность 8ск при То=1мс находится в пределах от минус 0,3% до плюс 0,06%. Для ПД, имеющего 0<a< 1, погрешность 8ск <0,1% во всем диапазоне изменений Сх. Практически это означает, что при шунтировании ПД дополнительным конденсатором Сд«атахСо (диапазон значений Сх сдвигается вправо) можно существенно уменьшить 8ск при фиксированном То или увеличить быстродействие АЦП при заданной погрешности.
Литература
1Ашанин В.Н., Ковшов В.Д., Гутников В.С. Аналого-цифровой преобразователь сопротивлений резистивных датчиков//Приборы и системы управления.- 1984.- №4.- С.21-22.
2Early W.Owen. The measurement of resistance using the dual-slope mesod // IMEKO Symp. on Comp. Meas., Dubrovnik, 22- 25 Sept., 1995.- Proc. Zagreb, 1995- p.173-175.
ЗВолгин Л.И., Тетенькин Ю.Г. Минимизация погрешностей измерительных преобразователей для параметрических датчиков //Цифровая информационноизмерительная техника: Межвуз.сб. науч.тр.- Пенза: Пенз.политехн.ин-т, 1990.- Вып.19.-С.102-107.
