Convertor analog numeric cu integrare in doua pante

Conversia analog numerica prin integrare in doua pante se bazeaza pe integrarea tensiunii de intrare V_IN un interval de timp constant T₁ urmata de integrarea tensiunii de referinta V_REF de polaritate opusa tensiunii de intrare un interval de timp T₂ necesar anularii efectului de integrare a tensiunii de intrare V_IN.

Din principiul conservarii sarcinii electrice rezulta :

de unde :

Desi rata de conversie este foarte scazuta, acest tip de conversie prezinta urmatoarele avantaje majore :

Permite rejectia perturbatiilor provenite din retea. Astfel daca acestea au forma cu , prin integrarea semnalului compus V_IN + v_p pe durata unui numar intreg de perioade se obtine :

deoarece

- Permite eliminarea influentei parametrilor R, C si f₀ asupra rezultatului conversiei prin utilizarea metodei substitutiei (V_IN este masurat prin intermediul lui V_REF) ceea ce permite micsorarea substantiala a erorilor. Se pot obtine astfel precizii de pana la 0,01%.

1 Schema de principiu si ecuatia de functionare

Dupa cum am mai spus, in prima etapa se integreaza marimea de intrare pe o durata de timp constanta folosind conditii initiale nule obtinand o panta proportionala cu marimea de intrare. In cea de-a doua etapa se integreaza o marime de referinta (de sens opus marimii de intrare) cu panta constanta, folosind conditiile initiale create in prima etapa obtinand o durata proportionala cu valoarea de intrare.

Schema de principiu a unui convertor analog numeric cu integrare in doua pante este prezentata in figura 5.60 :

Componentele principale ale convertorului sunt :

circuitul integrator realizat cu amplificatorul operational AO cu rezistenta de intrare ridicata (10⁹ W), rezistenta R (sute de kW) si condensatorul C ( 0,1 . 1 mF ). La intrarea acestui integrator pot fi conectate prin intermediul comutatoarelor k₁ si k₂, fie semnalul de intrare V_IN, fie o tensiune de referinta V_REF foarte stabila;

comparatorul CP ce detecteaza trecerea prin zero a semnalului de la iesirea integratorului V₂;

generatorul de tact GE si un circuit de poarta P care valideaza impulsurile de ceas catre numarator;

numaratorul N cu intrare de reset (RST) si iesire de transport/depasire CY;

blocul de comanda al intregului convertor ce stabileste ciclul de masura si comanda operatiile ce se vor executa in fiecare etapa.

Perioada de integrare a tensiunii de intrare este un multiplu al frecventei retelei, adica T₁=nT=20, 40, ., 100 ms pentru a indeplini conditia de rejectie a perturbatiilor provenite de la retea. Pe de alta parte, durata T₁ mai este corelata si cu capacitatea maxima N_m a numaratorului

T₁ = N_m T₀ unde T₀ este perioada generatorului GE.

Intervalul T_2m marcheaza a doua etapa si se alege mai mare decat T₁ in scopul obtinerii unei pauze t pentru aducerea la zero a intregului sistem dupa fiecare ciclu de conversie.

Duratele celor doua etape sunt legate printr-o relatie de forma T_2m/T₁=1,2. Cum T₁ se alege de regula egal cu 100 ms, rezulta ca durata ciclului de conversie este T_s=T₁+T_2m=T₃+t =220 ms unde T₃ reprezinta durata ciclului de conversie propriu-zis

Diagramele de timp asociate circuitului sunt cele prezentate in figura 5.61 :

Pe durata t se comanda inchiderea comutatorului k₃ astfel incat C sa fie scurtcircuitat pentru a fi golit de orice sarcina electrica in vederea realizarii conditiilor initiale pentru initializarea unui nou ciclu de conversie.

Functionare :

In starea inactiva, comutatoarele k₁ si k₂ sunt deschise iar k₀ si k₃ sunt inchise astfel incat la iesirea integratorului se obtine U₂ < 0 ca urmare a conectarii intrarii la sursa de polarizare V_p. Blocul de comanda mentine numaratorul resetat iar iesirea comparatorului va invalida semnalul de ceas CLK dat de generatorul GE.

In momentul initial, blocul de comanda deschide k₀ si k₃ si inchide k₁ conectand integratorul la tensiunea necunoscuta -V_IN. Tensiunea de la iesirea integratorului incepe sa creasca trecand prin zero spre o valoare pozitiva, moment sesizat de comparator ce comanda poarta P incat sa permita accesul spre numarator a impulsurilor de perioada T₀ .

In momentul in care se atinge valoarea maxima numaratorul produce un semnal de depasire CY care are ca efect deschiderea comutatorului k₁, inchiderea comutatorului k₂ si resetarea numaratorului. De fapt dupa depasire, numaratorul ajunge singur in 0 iar poarta P continua sa fie deschisa. Pe parcursul primei etape tensiunea de iesire din integrator evolueaza liniar si sunt eliminate perturbatiile datorate retelei:

La sfarsitul intervalului T₁, tensiunea devine:

Deoarece are loc eliminarea perturbatiilor de forma : , aceasta etapa se mai numeste si faza de filtrare a tensiunii de intrare (integratorul se comporta ca un filtru trece jos).

In faza a doua, in momentul inchiderii comutatorului k₂ la intrarea integratorului se aplica tensiunea de referinta V_REF cu polaritate opusa lui V_{IN ,} ceea ce provoaca inceperea descarcarii condensatorului C si deci inceperea scaderii tensiunii de iesire a integratorului. Aceasta descrestere are loc dupa ecuatia :

si continua pana la anularea tensiunii de la iesirea integratorului cand rezulta :

adica V_INT₁ = V_REFT₂ care reprezinta ecuatia de functionare a convertorului cu integrare in doua pante. Se observa un avantaj major : elementele R si C ale integratorului nu trebuie sa fie calibrate, ci numai sa fie stabile pe durata conversiei (0,1 0,2 s).

Ecuatia completa de functionare rezulta exprimand numeric intervalele de timp T₁ si T₂

T₁ = N_mT₀

T₂ = N T₀

Rezulta ca

Se observa de asemenea ca frecventa etalonului nu intra in ecuatia de functionare a convertorului.