Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ)

Достоинством ПНЧ является высокая разрешающая способность преобразований, поэтому они часто используются с датчиками, обладающими большим временем интегрирования (от секунд до нескольких лет), в преобразователях цифрового зна­чения в частоту (в цифроаналоговых преобразователях (ЦАП)), в частотных моду­ляторах, делителях и умножителях. На входы ПНЧ поступает аналоговый сигнал датчика, который может быть либо напряжением, либо током (в последнем случае это уже будет преобразователь тока в частоту). В некоторых случаях датчик являет­ся частью АЦП (см. раздел 5.5). В данном разделе будут рассмотрены только ПНЧ, в которых величина напряжения определяется количеством прямоугольных им­пульсов в единицу времени. Частота может рассматриваться цифровым сигналом, поскольку всегда можно подсчитать импульсы в заданном интервале времени и представить полученное число в двоичном коде. Все ПНЧ являются преобразова­телями интегрирующего типа, поскольку их выходным сигналом является частота (количество импульсов в секунду), пропорциональная среднему значению входно­го напряжения.

На основе ПНЧ реализуются самые простые и экономичные АЦП. Время, требуемое на преобразование напряжения в цифровое значение, определяется максимальной частотой ПНЧи необходимым уровнем разрешения. Как прави­ло, ПНЧ обладают сравнительно невысоким быстродействием по сравнению с АЦП последовательного приближения, однако они подходят для совместной ра­боты с подавляющим большинством датчиков. Когда ПНЧиспользуется в каче­стве АЦП, он подключается к счетчику, тактируемому с заданной частотой отсче­тов. Например, если верхний предел частоты преобразователя равен 32 кГц, а счет­чик включается 8 раз в секунду, максимальное количество импульсов, посчитанных за один счетный период, составит 4000, что приблизительно соответствует разре­шающей способности 12-ти разрядного АЦП (см. таблицу 5.2). Используя ту же самую комбинацию компонентов (ПНЧ и счетчик), можно реализовать интегри­рующее устройство, применяемое в случаях, когда необходимо проводить измере­ния внешних сигналов в определенном интервале времени. В этом случае счетчик

5.4. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

будет подсчитывать количество импульсов в течение заданного промежутка време­ни, а не среднее число импульсов за цикл счета.

Другое полезное свойство ГШЧ — простота передачи импульсов по линиям связи. Импульсные сигналы обладают большей помехоустойчивостью по сравне­нию с аналоговыми сигналами, имеющими высокое разрешение. В идеальном слу­чае выходная частота преобразователя ƒ_out/ пропорциональна входному напряжению V_in , т.е. выполняется соотношение:

где ƒ_FSи V_FS— максимальная частота и входное напряжение ГШЧ. Для линейного преобразователя отношение ƒ_FS/V_FS =С, являющееся постоянной величиной, назы­вается коэффициентом преобразования. Тогда

Существует несколько типов ПНЧ. Самые популярные из них построены на основе мультивибратора и схемы с уравновешиванием заряда.

ПНЧмулътивибраторного типа, показанный на рис. 5.23, реализован на основе асинхронного генератора прямоугольных импульсов, в котором ток заряда и разря­да времязадающего конденсатора определяется входным сигналом. Входное на­пряжение V_w усиливается дифференциальным усилителем (например, измери­тельным усилителем), выходной сигнал которого используется для управления транзисторами U, и U₂, являющимися преобразователями напряжения в ток. Прецизионный мультивибратор поочередно подключает времязадающий конден­сатор С к обоим токовым преобразователям. В результате чего, конденсатор поло­вину периода заряжается током i_aчерез транзистор U, а вторую половину периода разряжается через транзистор U₂tokom i_bПоскольку величина токов i_a и i_b опреде­ляется входным сигналом, напряжение на конденсаторе во время заряда и разряда будет меняться с одинаковой скоростью, но с противоположным знаком. При этом на выходе мультивибратора формируется сигнал, частота которого пропорциональна

входному напряжению. Достоинства этой схемы — простота и относительно низкая потребляемая мощность. Однако она обладает низким подавлением высокочастотных шумов, поэтому в случаях, где требуется высокая помехоустойчивость лучше приме­нять схемы с уравновешиванием заряда.

В состав ПНЧ с уравновешиванием заряда входит аналоговый интегратор и ком­паратор напряжений (рис. 5.24). Достоинства этой схемы - высокое быстродей­ствие, линейность и хорошее шумоподавление. Ряд фирм выпускают такие схемы в интегральном исполнении: например, ADVFC32 и AD650 (Analog Devices), а так­же LM331 (National Semiconductors). Такой ПНЧ работает следующим образом. Входное напряжение V_inпоступает на вход интегратора через резистор R Интег­рирующий конденсатор включен в цепь ОС ОУ, выходной сигнал которого срав­нивается с небольшим отрицательным пороговым напряжением —0.6 В. На выходе интегратора формируется пилообразное напряжение (рис. 5.26). В момент равен­ства напряжения интегратора и уровня порогового сигнала на выходе компаратора появляется перепад напряжения, запускающий одновибратор, вырабатывающий на своем выходе прямоугольный сигнал фиксированной длительности t_os . Преци­зионный источник тока вырабатывает постоянный сигнал, который попеременно подключается то ко входу интегратора, то к его выходу. Ключ S₁выполняющий операцию переключения, управляется выходным сигналом одновибратора. При подсоединении источника тока ко входу ОУ интегрирующий конденсатор C_in

полу­чает постоянный заряд ΔQ = i * t_osНа тот же самый конденсатор через резистор R_in

поступает и входной ток I_in. В результате заряд на конденсаторе определяется сум­мой этих токов

.

Рис. 5.24. ПНЧ с уравновешиванием заряда

Когда выходное напряжение интегратора сравнивается с пороговым напря­жением, запускается одновибратор и ключ S, меняет свое положение, т.е. начина­ется стадия восстановления (рис. 5.25Б). Во время этой стадии ко входу интеграто­ра одновременно подключены и источник тока, и источник входного напряжения. Полный перепад напряжения на выходе интегратора за время стадии восстановле­ния определяется длительностью импульса одновибратора:

Рис.5.25. Две стадии работы ПНЧс уравновешиванием заряда: интегрирования и восстановления.

По окончании импульса одновибрато-ра ключ S₁ подключает ток i к выходу интегратора. Теперь этот ток никак не влияет на конденсатор C_in, однако при этом ток на входе компаратора умень­шается. Эта стадия называется стади­ей интегрирования (рис. 5.25Аи 5.26). Во время этой стадии происходит раз­ряд конденсатора положительным входным током: I_in=V_in/R_in

со скорос­тью, пропорциональной величине на­пряжения V_in . Время, за которое напря­жение на входе компаратора сравнива­ется с пороговым напряжением, нахо­дится из уравнения:

Из этой формулы видно, что величина конденсатора никак не влияет на длительность стадии интегрирования. Частота выходного сигнала определяется выражением:

Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

Следовательно, частота импульсов одновибратора пропорциональна входному на­пряжению и зависит от качества интегрирующего резистора, стабильности генера­тора тока и одновибратора. При выполнении точного расчета можно реализовать ПНЧ такого типа, обладающий в диапазоне частот 1 Гц... 1 МГц погрешностью не­линейности 10х10^-4.

Основным достоинством преобразователей интегрирующего типа является их способность подавления аддитивных шумов, поскольку при выполнении процеду­ры интегрирования уровень помех значительно снижается. Счетчик выполняет подсчет импульсов от преобразователя в течение заданного интервала времени Т. Счетчик ведет себя как фильтр с передаточной функцией вида:

гдеƒ— частота импульсов. На низких частотах значение этой передаточной функ­ции близко к единице. Это значит, что преобразователь совместно со счетчиком выполняют корректные измерения. Однако на частоте 1/T передаточная функ­ция равна 0, что означает полное подавление сигналов этих частот. Например, при интервале счета Т= 20 мсек, соответствующем частоте 50 Гц (частоте напряже­ния сети, которая часто является источником существенных помех во многих дат­чиках), 50-ти Гц шумы будут полностью устранены. Более того импульсы с частота­ми, кратными 50 Гц (100 Гц, 150 Гц,...), будут также подавлены.

Поиск по сайту: