Схема цифрового вольтметра на АЦП КР572ПВ2
В настоящее время аналого-цифровые преобразователи (АЦП) составляют значительную долю в мировом производстве интегральных электронных схем. Это связано с такими их особенностями, как удобство применения, относительная простота и дешевизна, а также крайне незначительные габариты. АЦП с успехом применяют в измерительных комплексах для согласования аналоговых источников измерительных сигналов и последующих систем цифровой обработки. Нередко требуется, чтобы выход АЦП позволял непосредственно представлять результаты измерения в цифровом виде.
Быстродействующие АЦП лежат в основе современных беспроводных систем связи, существенно увеличивая скорости потока цифровых данных. Имеется значительное количество разновидностей этих изделий, предназначенных как для "медленных", так и для "быстрых" входных сигналов. Измерение постоянных напряжений, которое позволяет, например, отрегулировать режим работы транзистора в электронной схеме, относится к "медленным" процессам.
Следовательно, особое быстродействие от АЦП в этом случае не требуется. Для процесса измерения постоянного напряжения хорошо подходят так называемые интегрирующие АЦП. Их преимущества - минимальное число необходимых точных компонентов, высокая помехоустойчивость, очень малая нелинейность и относительно низкая стоимость. Именно эти свойства АЦП и определили их широкое применение для построения измерительных приборов и систем невысокого быстродействия.
Интегрирующий АЦП, как правило, состоит из двух преобразователей: преобразователя напряжения или тока в частоту или длительность импульсов. При этом второй преобразователь служит для трансформирования частоты или длительности в код. В этом случае производят стандартную процедуру подсчета импульсов измеряемой частоты за известный промежуток времени.
Поэтому основные характеристики интегрирующих АЦП определяются качеством ПНЧ (преобразователь напряжение - частота). Обычно используют принцип двухтактного интегрирования. В первом такте цикла преобразования осуществляется интегрирование, т.е. накопление интеграла от некоторого входного сигнала. Во втором такте осуществляется деинтегрирование, т.е. считывание предварительно накопленного интеграла посредством подачи на вход интегратора другого входного сигнала. На рис.1 представлена диаграмма изменения напряжения на выходе интегратора (11и).
Как видим в первом такте длительностью Т1 напряжение достигает величины им. Во втором она изменяется от им до исходного уровня, который в данном случае равен нулю. Можно сказать, что накопление происходит при подаче на вход интегратора ивх=и1, а считывание (Т2) - при подаче ивх=и2.
Таким образом, и1 и и2 имеют различную полярность, а соотношение длительности тактов определяется соотношением:
Т2/Т1 = -Ш/и2.
Если длительность цикла Т1 поддерживается строго постоянной, то разность длительности тактов (Т1 - Т2) изменяется пропорционально измеряемому напряжению ивх. Этот принцип и лежит в основе функционирования АЦП типа КР572ПВ2.
Данный АЦП имеет дифференциальные входы для измеряемого (11вх) и опорного (11оп) напряжений. Это значит, что на результаты преобразования оказывает влияние разность потенциалов между входами микросхемы соответственно 31 и 30 и между входами 35 и 36. При этом синфазные напряжения, имеющиеся на этих выводах, практически не влияют на работу преобразователя напряжение - время (ПНВ).
Поскольку данный АЦП может непосредственно работать на светодиодный индикатор, то рассеиваемая внутри микросхемы мощность не является постоянной и зависит от числа горящих сегментов. Естественно, что при этом температурный режим колеблется. И говорить о стабильности потенциала между выводами 1 и 32 не приходится. Поэтому разумнее применять внешнюю стабилизацию.
В КР572ПВ2 двум вышеупомянутым тактам интегрирования предшествует нулевой такт, при котором осуществляется автокорреляция. Это позволяет запомнить величину напряжения ошибки, которая затем вычитается из входного сигнала интегратора. При этом удалось уменьшить суммарное напряжение смещения АЦП до уровня, не превышающего 10 мкВ!
Длительность первого такта равна 1000 периодов тактовых импульсов, формируемых встроенным тактовым генератором, который предпочтительно стабилизировать кварцем. Отметим, что частота тактовых импульсов не влияет на результат преобразования, однако необходимо обеспечить высокое постоянство этой частоты.
Рекомендуемый диапазон частот тактового генератора fr=40...200 кГц.
Общая длительность цикла преобразования КР572ПВ2 составляет 4000 периодов тактовых импульсов (16000/fr).
Диапазон входного напряжения АЦП +2...-2 В, величина опорного напряжения равна 1 В. Интегрирующий АЦП КР572ПВ2 допускает обработку входных сигналов, источник которых не связан с общей шиной! Следует особо заметить, что данная микросхема достаточно чувствительна и сложна.
Поэтому любые эксперименты с подаваемыми на нее питающими напряжениями, отличающимися от ±5 В, не только нежелательны, но и недопустимы!
Вот почему при разработке цифрового 3,5-разрядного вольтметра на КР572ПВ2 было решено в состав его платы ввести встроенные стабилизаторы напряжения на ±5 В. Принципиальная электрическая схема цифрового вольтметра на АЦП показана на рис.2, печатная плата - на рис.3. Как легко видеть, опорное напряжение регулируется в пределах 0.1... 1,0 В.
Печатную плату можно использовать не только в качестве цифрового вольтметра, но так же как оконечный блок для цифровой индикации относительного уровня любого аналогового сигнала, источником которого может быть, например, датчик давления, температуры, интенсивности светового потока и т.д.
Автор: А.Л. Кульский, г. Киев
Литература:
1. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А. Применение прецизионных аналоговых микросхем.- М.: Радио и связь, 1985.
2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.- Л.: Энергоатомиздат, 1988.