Перетворювачі напруга – частота

Введення  в схему резистора R₇ і джерела живлення +5 В на виході 7 таймера роблять її сумісною за рівнями напруги з цифровими схемами ТТЛ і ДТЛ. При заміні р-канального польового транзистора n-канальним, схема буде виконуватиме функцію перетворення напруги додатної полярності в частоту.

Основною  причиною нелінійності характеристики перетворення та обмеження частоти вихідних імпульсів (f_MAX = 10 кГц) є великий опір каналу польового транзистора (близько 150 Ом). Для розширення частотного динамічного діапазону необхідно застосовувати транзистори з меншим опором у відкритому стані.

 

 

 

 

 

 

 

4. Промислові ПНЧ.

 

4.1. Не синхронізовані  ПНЧ.

 

Рис. 4.1. Типова схема включення ПНЧ VFC32.

 

Рис. 4.2. Діаграми вхідного та вихідного сигналів ПНЧ VFC32.

 

ПНЧ включає  в себе підсилювач А1, компаратор А2, одновібратор, джерело стабільного струму I₀, аналоговий ключ S і вихідний транзистор. Для побудови ПНЧ мікросхему слід доповнити двома конденсаторами С₁, С₂ і двома резисторами R₁, R₂. Елементи R₁, С₁, А₁ утворюють інтегратор. Конденсатор С₂ задає тривалість імпульсу одновібратора де k визначається характеристиками мікросхеми (в VFC32 I₀ = 1 мА, k = 75 кОм). Імпульси струму I₀ врівноважують струм, викликаний вхідною напругою V_IN :

З (4.1) випливає, що стабільність характеристики перетворення ПНЧ залежить від стабільності зовнішніх елементів R₁, C₂ і внутрішніх параметрів k та I₀ мікросхеми. Крім того, для забезпечення високої лінійності перетворення, конденсатор С₁ необхідно вибирати з малим витоком і малим коефіцієнтом діелектричної абсорбції (поліпропіленовий, полістирольний, полікарбонатний). Діапазон вхідних струмів задається рівним , а резистор R₁ встановлює вхідний діапазон напруги від 0 до ПНЧ містить вихідний каскад з відкритим колектором. Напруга живлення цього каскаду вибирається з умови узгодження з наступними цифровими схемами. Його допустимий струм достатній для управління світлодіодом оптрона або обмоткою імпульсного трансформатора в схемах гальванічної ізоляції аналогових входів. За допомогою розглянутого ПНЧ можна перетворювати від’ємні напруги, але для цього потрібно змінити підключення вхідного сигналу. Іншими словами, пряме перетворення біполярних сигналів не передбачено. При розширенні діапазону зміни вихідної частоти все помітніше проявляється кінцевий час перемикання аналогових ключів, що виражається в інтегральній нелінійності перетворення. Мінімальна похибка (0,01%) досягається у вузькому діапазоні частот 0-10 кГц. У розширеному діапазоні вихідних частот (0-500 кГц) похибка нелінійності збільшується до 0,2%.

Більшість мікросхем ПНЧ можуть бути використані для зворотного перетворення “частота-напруга” (ПЧН). На рис.4.3 VFC32 ввімкнений для роботи в режимі інтегруючого ЦАП, вихідна напруга якого пропорційна середньому значенню частоти вхідного сигналу. ПЧН корисні в схемах гальванічної розв'язки аналогових сигналів, в тахометрах, в електроприводі, телеметрії.

Рис. 4.3. Схема ввімкнення VFC32 в режимі ПЧН.

 

4.2. Синхронізовані ПНЧ.

 

Рис.4.4. Типова схема ввімкнення AD7741.

 

Точність  ПНЧ визначається точністю вольт-секундної  площі імпульсу зворотного зв'язку, тому замість одновібратора в синхронізованих ПНЧ тривалість імпульсу зворотного зв'язку формується рівною періоду опорної частоти тактового генератора з кварцовою стабілізацією.

Рис. 4.5. Характеристика перетворення AD7741.

 

AD7741 – це одноканальна версія ПНЧ в 8-вивідному корпусі (DIP / SOIC). Вона має один буферизований вхід і працює з однополярною вхідною напругою в діапазоні 0 ÷ V_REF. AD7741 містить вбудоване джерело опорної напруги V_REF = +2,5 В, проте надає користувачеві можливість підключати зовнішнє джерело. Напруга живлення мікросхеми складає +5 В, споживаючи при цьому струм 6мА. Для зниження споживання струму до 35 мкА в “сплячому” режимі, AD7741 містить блок логіки пониження енергоспоживання. 

Вхідний сигнал через підсилювач подається  на ємнісний модулятор, який перетворює вхідну напругу в вихідну послідовність імпульсів фіксованої тривалості. Вихідний імпульс генерується по фронту сигналу тактового генератора. Тривалість вихідного імпульсу дорівнює тривалості тактового, а затримка між фронтом останнього і фронтом імпульсу на виході зазвичай становить 9 нс. Характерною особливістю AD7741 є зміщений діапазон вихідної частоти : нижній межі вхідного діапазону відповідає вихідна частота , а верхній – (Рис. 4.5). Таким чином, діапазон вихідної частоти складає Максимально допустима частота тактового генератора – 6 МГц. Вихід забезпечує КМОП-рівні і дозволяє підключати одне навантаження типу ТТЛ. Для управління світлодіодом оптопари потрібно підсилювач або спеціальна схема з вхідним струмом менше 1,6 мА.

 

 

5. Висновки

ПНЧ відносяться  до класу інтегруючих перетворювачів, тому володіють відповідними достоїнствами : хорошою точністю при мінімальному числі необхідних прецизійних компонентів, низькою вартістю, високою завадостійкістю, малою чутливістю до змін напруги  живлення, відсутністю диференціальної  нелінійності.

При виборі ПНЧ слід враховувати :

• Кількість зовнішніх компонентів, вимоги до їх якості, ціну;
• Точність ПНЧ (характеризується інтегральною нелінійністю, зміщенням і дрейфом нуля, зміщенням і дрейфом коефіцієнтів та перетворення);
• Діапазон вихідної частоти (Δf = f_MAX – f_MIN) для отримання необхідної роздільної здатності за час вимірювання;
• Вхідний опір або вхідний струм для узгодження з давачами;
• Енергоспоживання (кількість і рівні напруг живлення, струм споживання);
• Можливість прямого підключення оптрона до виходу ПНЧ.