Электронные измерительные системы. Цифровые вольтметры. Осциллографы. Системы сбора данных

Очевидно, что это напряжение пропорционально V_i . В начале интервала интегрирования, то есть в момент t = t₁ , счетчик устанавливается в нуль Интегрирование продолжается до тех пор, пока счетчик не переполнится (при требуемом разрешении 10ⁿ, модуль счета равен 10n). Если  — частота опорного генератора, то интегрирование будет продолжаться в течение вре­мени T = 10ⁿ / . В момент времени t₁ + T сигнал переполнения счетчика переключает вход АЦП на источник опорного напряжения , полярность которого противоположна полярности входного напряжения .Это приве­дет к тому, что теперь напряжение на конденсаторе будет уменьшаться с постоянной скоростью  Сравнивающее устройство опре­деляет момент времени t₂ , когда напряжение  становится равным нулю, и останавливает измерение. Содержимое счетчика в этот момент времени рав­но:

Для постоянной составляющей (среднего по времени) напряжения   результат счета выглядит так:

Следовательно, измерение дает число, пропорциональное отношению напряжений  и . Значение полной шкалы этого АЦП с двойным интег­рированием определяется величиной . Единственное требование, предъяв­ляемое к элементам R, С и к частоте , состоит в необходимости иметь достаточную кратковременную стабильность, чтобы не проявлялся никакой дрейф в течение времени, необходимого для завершения двух циклов пре­образования. Точность элементов схемы больше не имеет значения. Этот ме­тод также использует принцип баланса зарядов, так как заряд, накапливае­мый при первом интегрировании, равен заряду, стекающему при втором интегрировании. Максимальное число измерений в секунду мало, посколь­ку необходимо выполнить два интегрирования и, кроме того, тратится вре­мя на переключение, начальную установку и т. д.

Этот недостаток устраняется применением принципа двух систем. Ком­пенсирующие АЦП быстрее и точнее, но чувствительны к помехам. С другой стороны, интегрирующие АЦП нечувствительны к помехам, но медленны. Принцип двух систем, объединяющий лучшие характеристики компенсаци­онных и интегрирующих АЦП, состоит в следующем. Для грубой компенса­ции входного напряжения применяется ЦАП. В остающемся разностном на­пряжении содержатся все помехи. Разностное напряжение измеряется с по­мощью интегрирующего АЦП. Если  интегрирующий  АЦП  имеет  относи­тельную   погрешность  e  , в результате

компенсации остается d-я часть, а от­носительная погрешность ЦАП равна g, то полная погрешность составит величину g + ed.

Предположим, что ЦАП имеет погрешность g = 10^-5, погрешность интегрирующего АЦП равна e = 10^-3, а компенсация происходит с точностью 1%, то есть d = 10^-2. Общая ошибка тогда будет равна 2´10^-5. Если разрешение равно 10⁵, то два старших десятичных разряда в устройстве индикации опре­деляются компенсирующим АЦП, а три младших разряда — интегрирую­щим АЦП. Таким образом, разрешение последнего АЦП может быть малым. Если, например, применяется АЦП, основанный на преобразовании на­пряжения в частоту, то самая высокая частота пилообразного напряжения, необходимая для того, чтобы можно было ограничиться временем интегри­рования 20 мс, была бы равна 50 кГц. Однако в случае, когда такой АЦП должен давать все пять разрядов в устройстве индикации, наивысшая часто­та была бы равной 5 МГц при том же самом времени интегрирования. Если бы наивысшая частота осталась равной 50 кГц, то время интегрирования составило бы 2 с. При частотах выше 100 кГц быстро ухудшается точность преобразования напряжения в частоту из-за неидеальности характеристик применяемых компонентов на высоких частотах. Таким образом, АЦП, дей­ствующий по принципу двух систем, с частичной компенсацией входного напряжения является быстрым, точным и нечувствительным к помехам.