Преобразователь напряжение — частота

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок

При построении комбинированных цифровых измерительных приборов — мультиметров основной задачей является приведение различных величин,. таких, как напряжение, ток, сопротивление, емкость, к унифицированной величине, чаще всего частоте. Иногда при этом используется промежуточная величина — наиболее часто напряжение постоянного тока. Задача приведения различных величин к одной решается применением преобразователей. Одним из них является преобразователь постоянного напряжения в частоту.

Рис. 3. Структурная схема преобразователя напряжение — частота

К выбору электрической схемы, выполнению и настройке этого преобразователя следует отнестись с особым вниманием, так как от него во многом зависят метрологические характеристики всего прибора в целом. Предлагаемый преобразователь напряжение — частота построен на основе интегратора с дискретной обратной связью. При подаче на вход преобразователя напряжения на его выходе появляется последовательность импульсов, частота следования которых прямо пропорциональна уровню входного сигнала. Количество импульсов на выходе преобразователя затем подсчитывается счетчиком за фиксированный интервал времени.

В основу принципа преобразования положен метод двойного интегрирования, позволяющий при сравнительно простой схеме получить высокую точность преобразования в широком диапазоне измерения напряжений.

Технические характеристики:

  • Входное напряжение, В............ 3
  • Коэффициент преобразования, кГц/В........ 10
  • Входное сопротивление, кОм.......... 10
  • Нелинейность преобразования, %......... 0,05
  • Измерительный интервал, с........... 0,1
  • Полярность входного сигнала.......... положительная

Структурная схема преобразователя (рис. 3) содержит усилитель постоянного тока УПТ, интегратор И, управляющие ключи К1 и К2, генератор импульсов ГИ, пороговое устройство ПУ и делитель частоты ДЧ. Цикл преобразования осуществляется в два такта: Т1 и Т0 (рис. 4). В течение интервала TI управляющие ключи К1 и К2 замкнуты выходным напряжением делителя ДЧ. Закрыто пороговое устройство ПУ, не пропускающее импульсы генератора ГИ на делитель частоты ДЧ.

Входной сигнал положительной полярности после усиления и инвертирования усилителем УПТ поступает через резистор R1 на инвертирующий вход интегратора И. От воздействия этого сигнала напряжение на выходе интегратора линейно возрастает. Крутизна нарастания зависит от уровня входного напряжения: чем больше Uвх, тем больше крутизна нарастания и, следовательно, меньше интервал Т1.

Рис. 4. Временные диаграммы преобразователя напряжение — частота

В момент, когда выходное напряжение интегратора достигает порогового значения Uп, срабатывает пороговое устройство ПУ, на входе 1 которого устанавливается логическая единица, разрешающая прохождение импульсов с выхода ГИ на ДЧ.

Как только через ДЧ пройдет количество импульсов, равное коэффициенту деления, изменяется состояние на выходе делителя ДЧ (в данном случае из состояния 1 в состояние 0). В этот момент такт TI заканчивается и начинается второй такт интегрирования — Т0, ключи К1 и К2 размыкаются.

С размыканием ключа К1 на вход интегратора через резистор R0 начинает поступать опорное напряжение U0. С размыканием ключа К2 на его выходе устанавливается логическая 1, которая подтверждает открытое состояние порогового устройства и удерживает его в этом состоянии, независимо от изменения напряжения на выходе интегратора. Таким образом, импульсы с выхода ГИ по-прежнему поступают на ДЧ.

Теперь на вход интегратора И поступают два напряжения: входное UBS. и опорное U0. Полярности их противоположны, а амплитуда опорного напряжения больше амплитуды входного. В результате воздействия разности напряжений UBX — Ur, изменение напряжения на выходе интегратора происходит в обратную сторону.

Заканчивается формирование интервала Т0 в тот момент, когда потенциал на гвыходе ДЧ снова изменится (теперь из состояния 0 в состояние 1). При этом замыкаются ключи К1 и К.2, прекращается поступление импульсов генератора на делитель. Преобразователь переходит в состояние интегрирования только входного напряжения. Затем процессы в схеме повторяются.

Заметим, что длительность такта Т0 не зависит от времязадающих элементов интегратора И, а определяется только частотой следования импульсов генератора Г И и коэффициентом деления делителя ДЧ. Так как частота генератора и коэффициент деления для данной схемы постоянны, то и длительность такта T0 также постоянна.

С увеличением входного напряжения UВX уменьшается интервал Т1, а частота следования импульсов на выходе преобразователя увеличивается. Таким образом, в случае идеального интегрирования зависимость выходной частоты преобразователя от входного напряжения прямо пропорциональна.

Максимальная частота на выходе преобразователя определяется по формуле fмакс = fген/n где fген — частота генератора импульса; n — коэффициент деления делителя.

Длительность интеозала T0 при скважности сигнала на выходе делителя частоты, равной 2, составляет половину периода следования импульсов с максимальной частотой T0=1/2 fмакс. В этом случае форма сигнала на выходе интегратора становится треугольной (при меньшей частоте она пилообразная).

Принципиальная схема преобразователя дана на рис. 5. Усилитель УПТ и интегратор И выполнены соответственно на ОУ А1 и А2. При подаче на вход преобразователя постоянного напряжения положительной полярности сигнал поступает только на вход А.

При преобразовании постоянного напряжения отрицательной полярности или средневыпрямленного значения напряжения в цепях переменного тока используются оба входа Л и Б. В этом случае ОУ А1 работает в качестве сумматора напряжений, подаваемых по обоим входам. Так как в цепь отрицательной обратной связи включен конденсатор С1, каскад на ОУ А1 выполняет так-же функцию активного фильтра, сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения. Переключатель S1.1 служит для корректировки результата показаний в зависимости от формы кривой переменного напряжения.

Рис. 5. Принципиальная схема преобразователя напряжение — частота

Управляющие ключи К.1 и К2 выполнены на транзисторах V5 и V6- различной проводимости. В течение интервала Т1, когда оба ключа замкнуты, на входы этих транзисторов через резисторы R20 и R21 подается положительное напряжение. В результате транзистор V5 закрыт, а транзистор V6 насыщен (потенциалы на их коллекторах близки к нулю).

Генератор импульсов ГИ собран на элементах D1.1 и D1.2. Частота его колебаний стабилизирована кварцевым резонатором 1 МГц. Элементы D1.3 — инвертор, D1.4 — пороговое устройство.

На микросхеме D2 типа К176ИЕ5 выполнены два делителя частоты. Первый из них содержит шесть двоичных разрядов (по схеме верхняя часть микросхемы: вход 2 — выход 5) и использован в преобразователе напряжение — частота. Коэффициент деления n1 = 64. Второй делитель содержит девять- двоичных разрядов (по схеме нижняя часть микросхемы: вход 9 — выход 1) с коэффициентом деления n2 = 512 и предназначен для снижения частоты кварцевого генератора 1 МГц до частоты 1953,125 Гц. Эта частота необходима для совместной работы с другими узлами прибора.

Применение микросхем К176ИЕ5 позволяет выполнить на ней два независимых делителя частоты со сравнительно большими коэффициентами деления и заметно сокращает число корпусов делителей частоты. Так, если использовать в данном случае микросхемы с коэффициентом пересчета n = 10 (К176ИЕ4); потребовалось бы два корпуса в делителе преобразователя напряжение — частота и три корпуса во втором делителе.

Максимальная выходная частота данного преобразователя равна fMaKC=fген/n =1 000000/64=15 625 Гц. Коэффициент преобразования 10 кГц/В достигается выбором такого коэффициента усиления УПТ, чтобы при подаче на вход преобразователя напряжения 1 В на выходе была частота 10 кГц.

В общем случае расчет преобразователя производят совместно со счетчиком, который подключают к выходу преобразователя, так как исходными данными для расчета, помимо частоты генератора, являются емкость счетчика и длительность измерительного интервала tИзм. Под емкостью счетчика в данном случае понимают число импульсов, которое может быть подано в счетчик до его полного заполнения. Измерительный интервал tИ3М — время, в течение которого импульсы с выхода преобразователя поступают на вход счетчика. По окончании tизм процесс измерения заканчивается, а результат его выдается со счетчика на устройство индикации.

Частота кварцевого генератора может быть любой — от 10 кГц до 2 МГц. Собственно для преобразователя напряжение — частота численное ее значение может быть не только целым, но и дробным.

При использовании в качестве делителя частоты интегральной микросхемы К176ИЕ5 удобны кварцевые резонаторы, работающие на частоте 16384 и 32 768 Гц, от электронных часов. На этой же микросхеме выполняется и генератор ГИ.

Рис. 6. Печатная плата преобразователя напряжение — частота

Для рассмотренном схемы преобразователя напряжение — частота не рекомендуется увеличивать емкость счетчика свыше 2000, т. е. использовать счетчик с числовым отсчетом более 1999, поскольку при четырех и более, знаках отсчета показания последних знаков станут неопределенными. Устранить это можно значительным усложнением схемы преобразователя, что в большинстве случаев не оправдано.

Длительность измерительного интервала tИзм выбирают в пределах от 0,1 до 0,5 с. Мигание цифр при измерительных интервалах более 1с утомляет работающего с прибором, а при интервалах менее 0,2 с практически незаметно для глаз.

При расчете сначала определяют максимальную выходную частоту преобразователя, которая равна отношению емкости счетчика к измерительному интервалу. Затем определяют коэффициент деления делителя частоты n = fген/fмакс. Например, для одного из счетчиков, работающего с данным преобразователем, емкость равна 2000, длительность измерительного интервала tизм = 0,131 с, максимальная частота на выходе преобразователя fМакс = 2000/0,131=15258,8 Гц.

При частоте генератора ГИ 1МГц коэффициент деления делителя равен n = 1000000/15258,8 = 65,5. Добиваться точного значения коэффициента деления не надо. Принимаем n = 64, что позволяет применить для деления шести двоичных разрядов.

Достоинством данного преобразователя является независимость его характеристик от большинства элементов. Стабильность схемы так высока, что изменение емкости интегрирующего конденсатора в несколько раз не оказываег влияния на выходную частоту.

На результате преобразования не сказываются также медленные изменения уровня порогового напряжения Uп, поэтому нет жестких требований к стабильности цепей интегрирования и порогового устройства. Последнее выполнено на элементе 2И — НЕ (D1.4),

Основными источниками погрешности преобразования являются нестабильность опорного напряжения U0 и остаточного напряжения открытого транзистора V6. Для уменьшения нестабильности U0 в преобразователе использован стабилитрон Д818Е с минимальным температурным коэффициентом напряжения. Для уменьшения остаточного напряжения транзистор V6 выбран типа КТ342Б с малым напряжением насыщения коллектор — эмиттер. Хорошо работает здесь и транзистор К.Т312В.

Детали. Транзистор V5 может быть любым кремниевым проводимости типа р-n-р с напряжением база — эмиттер не менее 4 В, например, КТ343, К.Т347, КТ363 (с любыми буквенными обозначениями). Резисторы Rl, R2, R6, R17 типа БЛП, резисторы R8 — R10, R14 типа СПЗ-16, остальные — типа МЛТ. Конденсаторы типа КТ, КМ, или К22-У, электролитические конденсаторы типа К50-6. Чертеж печатной платы преобразователя и расположение на ней деталей приведены на рис. 6.

Для точной настройки преобразователя необходимы цифровой вольтметр, частотомер и осциллограф. Для проверки работоспособности преобразователя соединяют перемычкой выводы 3 и 6 разъема ХЗ, устанавливая преобразователь в режим преобразования напряжения постоянного тока в частоту.

К выходу преобразователя подключают частотомер. На вход А подают напряжение +0,5 В. В оконечных каскадах преобразователя должен установиться автоколебательный процесс. С помощью осциллографа просматривают эпюры в характерных точках (см. рис. 4).

Для установления тепловых режимов элементов настройку следует производить после 15 — 20 мин прогрева. Соединяют вход А с общей шиной, отлаживают вывод резистора R11, подключенный к выходу микросхемы А1, и подсоединяют его также на шину 0В.

На выходе преобразователя устанавливают «нулевую» частоту, для чего подключают осциллограф к выводу 7 микросхемы А2, где наблюдают пилообразное напряжение. При вращении движка подстроечного резистора R14 в одну сторону частота возрастает, в другую — уменьшается и при некотором Положении срывается. Под «нулевой» частотой понимается минимальная устойчивая частота, которую удается установить с помощью резистора R14. Практически ее устанавливают равной 0,5 — 2 Гц, т. е. период одного колебания составляет 0,5 — 2 с. Восстанавливают соединение резистора R11, повторяют установку «нулевой» частоты (только теперь с помощью резистора R10). Затем подают на вход А напряжение постоянного тока +1 В, точное значение которого контролируют по цифровому вольтметру, подключенному ко входу преобразователям С помощью резистора R8 устанавливают выходную частоту преобразователя 10000 Гц. Если пределов регулирования не хватает, подбирают сопротивление резистора R6.

Для проверки линейности преобразования напряжения в частоту в диапазоне от 0 до 1В ко входу преобразователя подключают два переменных рези- стора сопротивлением 1 — 2,2 кОм. Измеряемое напряжение подают сначала на первый резистор, затем с его среднего вывода на второй и, наконец, со среднего вмвода второго на вход преобразователя. Это позволяет производить более точную установку необходимого напряжения на входе преобразователя.

Устанавливают первым резистором грубо, а вторым плавно следующие значения напряжения на входе преобразователя: 0, 10, 25, 50, 100 мВ и дале? через каждые 100 мВ до 1000 мВ. Для каждого входного напряжения записывают соответствующую ему выходную частоту и строят график. Если нелинейность преобразования больше 0,02%, настройку следует повторить.

При отклонении температуры окружающей среды от нормальной ( + 20° С) на 10° С нелинейность преобразования увеличивается на 0,02 — 0,03%. Таким образом, суммарная нелинейность преобразования может достигать 0,05%.