Перетворювачі напруга – частота

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний університет "Львівська  політехніка"

_{Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології}

 

 

 

 

_{Кафедра КСА}

 

 

 

          

Реферат

з навчальної дисципліни :

“ Перетворювачі форм інформації для систем контролю “

Перетворювачі напруга – частота

 

 

 

 

                                                               Виконав :

студент групи КСАм-14

 

                     Перевірив :

 

                                                       

                                                         

 

 

 

 

 

 

 

Львів - 2012

ЗМІСТ

1. Вступ………………………………………………………………………………3

2. Основні види ПНЧ………………………………………………………………4

3. Огляд та порівняння схем ПНЧ……………………………………………….9

3.1. Найпростіші ПНЧ…………………………...…………...……………………...9

3.2. ПНЧ з підвищеною лінійністю………………………………………………..14

3.3. ПНЧ на таймерах…….……...…………………………………………………17

4. Промислові ПНЧ……………………………………………………………….21

4.1. Не синхронізовані ПНЧ..………………………………………………...…....21

4.2. Синхронізовані ПНЧ….……………………………………………………….23

5. Висновки………………………………………………………………………...25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Вступ.

Перетворювачі напруга-частота ПНЧ (Voltage-to-Frequency Converters або VFC) є найбільш дешевим засобом перетворення сигналів для багатоканальних систем введення аналогової інформації в ЕОМ, що забезпечує високу завадо захищеність і простоту гальванічної розв'язки. ПНЧ - відмінне рішення для задач вимірювання усереднених параметрів, витрат, а також завдань генерування і модуляції частоти.

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. ПНЧ перетворюють вхідну напругу в частоту вихідних імпульсів, які можуть передаватися на великі відстані без спотворення інформаційного параметра – частоти. В інтегральних мікросхемах ПНЧ використовується метод інтегрування вхідного сигналу з імпульсною компенсацією заряду інтегруючого конденсатора. Для отримання високої точності і стабільності перетворення, необхідно забезпечити сталість вольт-секундної площі імпульсу зворотного зв'язку. Кращою точністю і стабільністю володіють синхронізовані ПНЧ, в яких тривалість імпульсу зворотного зв'язку стабілізує кварцовий резонатор.

Останнім  часом широкого поширення набули перетворювачі напруги в частоту  на операційних підсилювачах. Такі перетворювачі характеризуються точністю, високою лінійністю, хорошою температурною  стабільністю параметрів і низькою  вартістю. Однією з головних особливостей таких перетворювачів напруги в частоту є здатність здійснювати узгодження між аналоговими і цифровими схемами. Перетворювачі напруги в частоту також можуть бути використані для дистанційного контролю параметрів аналогових схем, вимірювання відношення сигналів, інтегрування і т.д. Такі схеми є основою різних систем управління, генераторів пилоподібних імпульсів, модуляторів.

 

2.Основні види ПНЧ.

Найпростіша схема перетворювача напруги  в частоту (рис. 1.1) містить керований  напругою генератор струму (ГС), що забезпечує лінійний процес заряду конденсатора С до порогової напруги, яка визначається опорною напругою U_ОП. Коли напруга на конденсаторі досягає цього значення, компаратор змінює свій стан і запускає схему формування вихідних імпульсів з одним стійким станом (одновібратор), яка виробляє один імпульс фіксованої тривалості. Одночасно на виході компаратора формується керуючий імпульс, який замикає контакти перемикача S, через які відбувається розряд конденсатора С. Після цього цикл повторюється спочатку. Якщо генератор струму спроектований таким чином, що його вихідний струм i прямо пропорційний вхідній напрузі U_ВХ, то схема являє собою звичайний перетворювач напруги в частоту.

Для напруги  на конденсаторі в будь-який момент часу t (коли перемикач S розімкнений) справедлива наступна рівність : Час, протягом якого напруга U_C досягне порогового значення U_OП, рівний : де k - коефіцієнт пропорційності між вхідною напругою і вихідним струмом ГС.

Рис. 2.1. Схема найпростішого перетворювача напруги в частоту.

 

 

 

Знаючи  τ, можна легко визначити залежність вихідної частоти перетворювача від вхідної напруги :

Потрібно  зауважити, що в дійсності час  розряду конденсатора С має відмінне від нуля постійне для кожної схеми  значення t_P. Це призводить до появи помилки при визначенні частоти f з виразу (2.1), причому ця помилка особливо значна на високих частотах. Дійсно, з урахуванням часу t_P вираз для визначення частоти може бути представлено у вигляді :

Можна показати, що при використанні транзисторного ключа для розряду конденсатора ємністю 100 пФ помилка на частоті f = 20 МГц, внесена часом розряду, близько 10%. Далі будуть розглянуті способи її компенсації при побудові перетворювачів напруги в частоту за описаним методом.

Інший метод  перетворення напруги реалізований у схемі на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Перетворювач на інтеграторі.

Рис. 2.3. Форма напруги в різних точках схеми рис. 2.2 (а,б).

Рис. 2.4. Залежність частоти вихідних коливань від амплітуди вхідного сигналу.

 

У цій  схемі використані інтегратор на операційному підсилювачі та перемикаючий біполярний транзистор, включений паралельно інтегруючому конденсатору. Схема працює з вхідною напругою від’ємної полярності і інтегрує її в додатному напрямку до тих пір, поки напруга на конденсаторі не досягне порогового значення. У цей момент спрацьовує компаратор, який повертає інтегратор в вихідний (нульовий) стан за допомогою транзисторного перемикаючого каскаду, що працює в режимі насичення.

Форма напруги  в різних точках схеми показана на рис. 2.3(а,б). Вихідний сигнал інтегратора у вигляді напруги пилоподібної форми (рис. 2.3(а)) надходить на вхід компаратора і перетворюється в послідовність вузьких імпульсів (рис. 2.3(б)), тривалість яких залежить від часу відновлення використовуваного операційного підсилювача і в наведеній схемі дорівнює 0,5 мкс. Протягом цього часу конденсатор С повністю розряджається через транзистор VT. Частота вихідних імпульсів обернено пропорційна нахилу пилоподібної напруги інтегратора і лінійно змінюється зі зміною вхідного сигналу (рис. 2.4).

Для визначення частоти вихідних імпульсів схеми  в залежності від амплітуди напруги  на вході можна використати наступну рівність : де С - інтегруючий конденсатор; R₁ - опір резистора на інвертуючому вході підсилювача; U_ВХ - у вольтах; f - в герцах.

Верхня  межа зміни амплітуди вхідної напруги дорівнює 15 В. При цьому значенні U_ВХ максимальна частота вихідних імпульсів досягає 750 Гц, а точність перетворення – не гірше ± 0,5%. Можна дещо розширити діапазон робочих частот перетворювача, зменшивши номінал конденсатора С, проте це призведе до погіршення лінійності передавальної характеристики.

Для отримання  високої лінійності зміни частоти  вихідного сигналу перетворювача  від вхідної напруги найбільш оптимальним є застосування методу компенсації заряду інтегруючого конденсатора, який реалізований в схемі рис. 2.5. Напруга або струм подаються на вхід операційного інтегратора. Вхідний сигнал інтегратора надходить на прецизійний генератор, імпульси якого управляють ГС.

Рис. 2.5. Перетворювач з підвищеною лінійністю.

Рис. 2.6. “Дельта-сигма” перетворювач.

 

Ці імпульси струму подаються в точку підсумовування вхідного сигналу та сигналу зворотного зв’язку інтегратора з протилежним  вхідному струмові знаком. Частота  імпульсів встановлюється такою, щоб  відбувалася повна компенсація  додатного вхідного струму інтегратора. На виході перетворювача включений формувач імпульсів (буферний підсилювач).

Ще один різновид схеми перетворення напруги в частоту зображений на рис. 2.6 – схема "дельта-сигма" перетворювача. Вона застосовується в тих випадках, коли вихідні імпульси мають бути синхронізовані з тактовими. У цій схемі імпульси струму генеруються D-тригером в ті моменти, коли вихідний сигнал перетворювача є високого рівня і в схему надходять тактові імпульси. Ця схема відрізняється від попередньої тим, що в ній використовуються вхідний струм або напруга від’ємної полярності і генератор імпульсів струму виробляє імпульси протилежної полярності. Вихідні імпульси утворюються в результаті логічної операції І над вихідним сигналом тригера і вхідними тактовими імпульсами. В результаті частота вихідних імпульсів пропорційна вхідній напрузі, і вони синхронізовані з тактовими.

 

 

 

 

 

3.Огляд та порівняння схем ПНЧ.

3.1.Найпростіші ПНЧ.

Якщо  при перетворенні напруги в частоту  не потрібна висока лінійність, можна  використовувати схему на рис. 3.1, побудовану на двох операційних підсилювачах типу 140УД7. У цій схемі підсилювач А1 включений в режимі інтегратора, а підсилювач А2 - в режимі регенеративного компаратора з гістерезисом. Коли вихідна напруга компаратора досягає максимального додатного значення U₁, діод VD зміщений у зворотному напрямку, і напруга на виході А1 лінійно зменшується зі швидкістю, яка визначається амплітудою вхідного додатного сигналу, до тих пір, поки не досягне значення У цей момент компаратор перемикається в інший стан, при якому напруга на його виході дорівнює максимальному від’ємному значенню U₂, діод VD відкривається і вихідна напруга інтегратора швидко наростає до При цьому компаратор повертається в початковий стан і цикл повторюється.

Рис. 3.1. Практична реалізація схеми на рис. 2.1.

 

Так як час  наростання вихідної напруги інтегратора значно менше часу її спадання, який обернено пропорційний амплітуді вхідного сигналу, частота циклів повторення f буде прямо пропорційна вхідній напрузі. Нехтуючи власним часом переключення компаратора, можна записати наступний вираз для визначення частоти вихідних імпульсів (U_ВХ – в вольтах, f – в герцах) :

Насправді, розмах напруги на виході А1 буде дещо більше величини через відмінне від нуля значення часу переключення компаратора, а частота, відповідно – меншою від значення, що визначається за виразом (3.1), причому ця різниця буде особливо значною при великих амплітудах вхідного сигналу.

На рис. 3.2 зображені типові форми напруги на виходах операційного підсилювача для великого вхідного сигналу.

Рис. 3.2. Форма напруги на виходах операційного підсилювача.

 

Як видно, в цьому випадку кінцеві значення часу наростання вихідної напруги інтегратора  і часу переключення компаратора  внесуть істотний внесок в нелінійність залежності частоти генерованих імпульсів від вхідної напруги. При малих напругах U_ВХ, передатна характеристика схеми буде також нелінійною через наявність дрейфу напруги зміщення інтегратора. Тому для розширення нижньої межі зміни вхідної напруги, необхідно включити зовнішній потенціометр для компенсації цього дрейфу на виході інтегратора. З зазначеними на рис. 3.1 номіналами елементів, схема забезпечує лінійність перетворення не гірше ± 1% в діапазоні зміни вхідних напруг 20 мВ ÷ 10 В. При цьому, частота вихідних імпульсів змінюється від 20 Гц до 10 кГц.

Більш складна  схема перетворювача на основі інтегратора, компаратора і перемикача наведена на рис. 3.3. Інтегратор і компаратор зібрані на операційному підсилювачі типу 140УД1, а перемикач – на транзисторі КТ315.

 

Рис. 3.3. Перетворювач напруги в частоту з коефіцієнтом

Перетворення 100 Гц / В.

 

Застосування  підсилювача 140УД1 для побудови інтегратора  пояснюється тим, що він має високу швидкість наростання вихідної напруги, необхідну для швидкого відновлення напруги на виході інтегратора до величини ΔU_ВИХ після досягнення цією напругою порогового значення, обумовленого потенціалом на не інвертуючому вході компаратора. Для якісної роботи перетворювача в широкому діапазоні зміни вхідних напруг на вході інтегратора включена пара узгоджених біполярних транзисторів. При цьому збільшується коефіцієнт підсилення операційного підсилювача (до 30-50 тис.) і зменшуються вхідні струми (до 0,5 мкА). Напруга зміщення нуля вхідних транзисторів усувається зовнішнім балансуванням за допомогою підстроювального резистора R₆.

Оскільки  коефіцієнт підсилення складового підсилювача значно зростає в порівнянні з коефіцієнтом підсилення операційного підсилювача 140УД1, в схему введено два кола частотної компенсації : і . Інтегруючим конденсатором є С₄. Діоди VD1 і VD2 включені в схему для захисту компаратора від перевантажень по входу.