В зависимости от того, как организован цикл двухтактного интегрирования, ПНЧ могут быть разделены на три группы (рис. 10.2).
Рис. 2. Классификация интегрирующих ПНЧ.
ПНЧ ЗТ. Преобразователи напряжение — частота с заданной длительностью одного такта позволяют получить относительно высокую точность преобразования при достаточно простой реализации.
Отечественная промышленность выпускает такие ПНЧ типа КР1108ПП1. Упрощенная функциональная схема этого ПНЧ показана на рис. 3, а. ПНЧ включает в себя ОУ А1, два компаратора А2, A3, SR-триггер , два источника стабильных токов I1 и I2, два аналоговых переключателя S1 и S2, источник опорного напряжения Uк, логическую ячейку И и выходной транзистор T1. Для построения ПНЧ микросхему КР1108ПП1 следует дополнить двумя конденсаторами C1, С2 и двумя резисторами R1, R2. Элементы R1, C1, А1 образуют интегратор. Компараторы А2, A3, триггер, ключ S2, конденсатор С2 и источник тока I2 входят в состав одновибратора.
Работает ПНЧ следующим образом. Под действием положительного входного сигнала Uвх напряжение на выходе интегратора (А1) уменьшается.
Рис. 3. Функциональная схема интегрирующего ПНЧ на основе ИС КР1108ПП1 (а) и схема включения этой ИС в режиме ПЧН (б).
Триггер при этом находится в состоянии «нуль», ключи SI, S2 находятся в состоянии, показанном на рис. 3, а. Ток I1 нагружает А1, не влияя на его выходное напряжение. Ток I2 через ключ S2 идет на землю. Когда напряжение на выходе А1 уменьшится до нуля, срабатывает компаратор А2 и переводит триггер в единицу, запуская тем самым одновибратор. При этом ключ S2 размыкается и под влиянием тока I2 начинает уменьшаться напряжение на конденсаторе С2. Когда это напряжение достигнет уровня Ur, срабатывает компаратор A3 и триггер снова возвращается в состояние «нуль». Пока триггер находился в единице, ток I1 поступал на вход интегратора, вследствие чего напряжение на выходе А1 снова возросло. Далее описанный процесс снова повторяется.
Длительность импульса одновибратора, определяющая длительность такта Т1 в течение которого интегрируется ток I1, можно найти по формуле T1=URC2/I2. Импульсы тока h уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением Uвх. Рассматривая процесс уравновешивания на протяжении одного цикла преобразования, получаем
Отсюда
В соответствии с этой формулой стабильность характеристики преобразования ПНЧ зависит от стабильности внешних элементов R1, C2 и внутренних параметров U2, I2/I1.
Емкость интегрирующего конденсатора С1 в первом приближении не влияет на выходную частоту ПНЧ. Более детальное рассмотрение показывает, что при уменьшении С1 увеличивается размах напряжения на выходе интегратора, а это может привести к увеличению погрешности от нелинейности. Если же уменьшать упомянутый размах, то увеличивается дрожание выходных импульсов ПНЧ из-за низкой чувствительности компаратора A2, в особенности на низких частотах. Рекомендуемый размах составляет примерно 2,5 В.
ПНЧ КР1108ПП1 содержит выходной каскад с открытым коллектором. Напряжение питания этого каскада выбирается из условия согласования с последующими цифровыми цепями. Ячейка И, установленная на входе транзистора T1 (рис. 3,а), позволяет закрывать этот транзистор путем подачи напряжения логической единицы на вход бланкирования — вывод 6. Благодаря этому оказывается возможным подключение выходов нескольких ПНЧ к одной линии путем объединения коллекторов выходных транзисторов раз личных ПНЧ.
Если с помощью рассматриваемого ПНЧ требуется преобразовывать отрицательные напряжения, то сигнал Uвх можно подать на Н-вход усилителя А1 (рис. 3,а), а левый по схеме вывод резистора R1 заземлить. Однако при этом погрешность линейности ПНЧ может возрасти в 1,5—2 раза из-за конечного коэффициента подавления синфазного сигнала в усилителе А1.
Микросхему КР1108ПП1 можно использовать в качестве преобразователя частота — напряжение (ПЧН). В этом случае импульсы входной частоты подаются на запуск входящего в микросхему одновибратора, а выходное напряжение получают пропорциональным среднему току, поступающему от источника I1 на вход усилителя A1. Схема включения микросхемы в режиме ПЧН показана на рис. 3,б. Для того чтобы согласовать вход компаратора А2 с выходом цифровых ТТЛ-схем, на И-вход компаратора А2, как показано на рис. 3,б, может быть подано напряжение смещения (резистор R2, диоды D1, D2).
Для получения хорошей линейности преобразования частоты в напряжение требуется, чтобы скважность входных импульсов ПЧН была не менее четырех. Выходное напряжение ПЧН по схеме рис. 3,б определяется соотношением
Рис. 4. Схема ПНЧ для знакопеременных входных сигналов.
Сглаживание пульсаций этого напряжения производится с помощью конденсатора С1.
Наряду с одновибратором для задания длительности такта в ПНЧ ЗТ находят применение также устройства, формирующие эту длительность равной периоду опорной частоты. Схема двухполярного ПНЧ ЗТ с опорной частотой показана на рис. 3. В этом ПНЧ на входы интегратора (А1) подаются входное напряжение Uвх и двухполярное опорное напряжение. В зависимости от знака напряжения на выходе интегратора компаратор А2 подает на D-вход триггера Т1 логические сигналы 0 или 1. Импульсы опорной частоты f0 устанавливают триггер Т1 в состояние, соответствующее этим сигналам, а триггер в свою очередь управляет ключом S. Каждый раз, когда приходит импульс опорной частоты, ключ S подает на вход интегратора такое опорное напряжение, которое уменьшает абсолютное значение напряжения на выходе интегратора. Триггер Т2 и две ячейки И входят в состав логической цепи, пропускающей на один из двух выходов импульс опорной частоты при условии, что в течение двух циклов преобразования триггер T1 находился в одном и том же состоянии. При Uвх>0 импульсы появляются на выходе f+вых, а при Uвх<0 — на выходе f-вых.Если же UBX=0, то триггер T1 с каждым импульсом будет изменять свое состояние и на выходах f+вых и f-вых импульсы будут отсутствовать.
Если преобразуется напряжение одной полярности, то схема ПНЧ с опорной частотой может быть упрощена (рис. 4,а). В этом ПНЧ используется однополярный источник опорного напряжения. Кроме того, из состава ПНЧ исключен компаратор, он заменен ограничителем, установленным на входе триггера.
Рис. 4. Варианты схем ПНЧ с заданным тактом.
Частота на выходе ПНЧ ЗТ не зависит от напряжения срабатывания компаратора. Это и дает возможность подавать напряжение с интегратора непосредственно на управляющий вход триггера. Однако при этом может возрастать дрожание выходных импульсов ПНЧ на низких частотах.
В преобразователе по схеме рис. 3 входное напряжение может изменяться от U+R доU-R. В ПНЧ по схеме рис. 4, я используется JK-триггер, возвращающийся в нуль после каждого перехода в единицу. Поэтому здесь максимальная выходная частота равна f0/2, а входное напряжение не должно превышать U+R /2. В этом ПНЧ вместо JK-триггера можно также использовать D-триггер и логическую ячейку, пропускающую на выход импульсы опорной частоты, когда триггер находится в единице. При этом увеличится вдвое диапазон изменения Uвх и частоты fвых. Однако увеличится и погрешность линейности, так как при
fвых >f0/2 триггер начинает формировать импульсы двойной, тройной и т.д. длительности. Средняя площадь таких импульсов несколько отличается от площади одиночных импульсов из-за влияния фронтов.
В ПНЧ, схемы которых показаны на рис. 3 и 4,а входное напряжение подается на не инвертирующий вход ОУ интегратора. ПНЧ при этом оказывается не чисто интегрирующим, но на свойства АЦП, в котором будет использован такой ПНЧ, это не окажет заметного воздействия. Вместе с тем такая организация входной цепи ПНЧ позволяет исключить влияние на характеристику преобразования резистора R1. Частота на выходе этих ПНЧ определяется весьма простым соотношением fвых =f0Uвх/Uв. Таким образом, стабилизируя опорную частоту f0 и опорное напряжение UR, мы можем получить высокую точность преобразования напряжения в частоту.
Это является достоинством ПНЧ с опорной частотой. Недостатком таких ПНЧ является неравномерная расстановка выходных импульсов: эти импульсы синхронизированы с импульсами опорной частоты f0. В принципе в таких ПНЧ можно получить выходные импульсы с равно мерной расстановкой, если формировать их в моменты срабатывания компаратора (при этом цепь формирования импульсов, компенсирующих входное напряжение, не изменяется).
ПНЧ ЗА. Преобразователи напряжение — частота с заданной амплитудой напряжения на выходе интегратора, как уже указывалось, часто называют преобразователями с изменением направления интегрирования. ПНЧ с изменением направления интегрирования может быть построен так, как показано на рис. 4,б. Здесь применён интегратор, направление интегрирования в котором изменяется с помощью ключа S, и таймер типа КР1006ВИ1, управляющий этим ключом. Если в качестве напряжения питания таймера использовать опорное напряжение U+R, то размах сигнала на выходе интегратора будет поддерживаться равным U+R /3. Как видим, для получения точной характеристики преобразования нужно использовать точные резисторы и конденсаторы. ПНЧ по схеме рис. 4,б может преобразовывать или положительное, или отрицательное входное напряжение. При изменении знака входного напряжения нужно инвертировать сигнал управления ключом S.
ПНЧ ЗИ. Пример схемы ПНЧ с заданным интегралом непрямоугольного компенсирующего импульса показан на рис. 5,а. В состав этого ПНЧ входит интегратор (А1), генерирующий компаратор (А2) и узел формирования компенсирующего импульса, содержащий ключ S и конденсатор СЗ. В качестве генерирующего компаратора используется управляемый мультивибратор. Компенсирующий импульс образуется за счет разряда через резистор R2 конденсатора СЗ, предварительно заряженного до напряжения U-R.
Рис. 5. Схема ПНЧ с заданным интегралом непрямоугольного компенсирующего импульса (а) и диаграммы, поясняющие его работу (б).
Пример микросхемы
- Высокая линейность преобразования:
в диапазоне частот до 10 кГц не более ±0,01% в диапазоне частот до 100 кГц не более ±0,05% в диапазоне частот до 500 кГц не более ±0,2%
- Динамический диапазон: 6 декад
- Режим преобразования:
напряжение-частота (ПНЧ) частота-напряжение (ПЧН)
- Универсальный вход по напряжению или по току
- Выход совместим с ТТЛ / КМОП
Рис. 6.
Микросхемы 1108ПП1 (Р, К, КР) служат для преобразования напряжения в частоту / частоты в напряжение и позволяют создавать устройства для линейного преобразования аналоговых сигналов в последовательность импульсов. Частота выходных импульсов пропорциональна величине входного сигнала. При обратном преобразовании среднее значение аналогового выходного напряжения пропорционально частоте импульсов входного сигнала.
Диапазон изменения частоты на выходе микросхемы в зависимости от напряжения на входе задается внешними элементами: резистором интегратора R1 включенном последовательно с входом и конденсатором одновибратора С2 формирующем длительность выходных импульсов. Выходные импульсы имеют постоянную длительность и положительный уровень.
В режиме ПЧН на не инвертирующий вход компаратора (вывод 9 микросхемы) можно подать пороговое напряжение для непосредственного согласования компаратора с логическими уровнями входного сигнала fin. Для обеспечения нормальной работы преобразователя в режиме ПЧН длительность импульсов ti, подаваемых на вход микросхемы, должна быть установлена в заданных пределах.
Для входного диапазона:
· от 0 до 10 кГц - ti = от 0,3мкс до 15 мкс.
· от 0 до 100 кГц - ti = от 0,3мкс до 1,5 мкс.
· от 0 до 500 кГц - т1 = от0,3мкс до 0,8 мкс.
Рис. 7. Схема включения микросхемы 1108ПП1 в режиме преобразования напряжения в частоту (ПНЧ).
Основные электрические параметры при приемке и поставке.
Рис. 8. Импульсная диаграмма сигналов на выводах микросхемы при работе преобразователя в режиме напряжения-частота.
U13 - напряжение: на выходе интегратора, fout - импульсы на частотном выходе (вывод 7). U5 - напряжение: на конденсаторе С2 (вывод 5).
С помощью рассматриваемого ПНЧ можно преобразовывать отрицательные напряжения, но для этого нужно изменить подключение входного сигнала. Иными словами, прямое преобразование биполярных сигналов не предусмотрено.
Рис. 9. Схема включения микросхемы 1108ПП1 в режиме преобразования частоты в напряжение.
При расширении диапазона изменения выходной частоты все заметнее проявляется конечное время переключения аналоговых ключей, что выражается в интегральной нелинейности преобразования. Ее минимальная погрешность (0,01 %) достигается в узком диапазоне частот 0–10 кГц. В расширенном диапазоне выходных частот (0–500 кГц) погрешность нелинейности увеличивается до 0,2 %.
