Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2011
Предлагается недорогая схема преобразователя напряжение-частота (ПНЧ) с хорошими характеристиками. Все компоненты для схемы вы можете за несколько долларов купить в ближайшем магазине электроники.
 |
|
| Рисунок 1. | Из трех недорогих микросхем и нескольких пассивных компонентов можно собрать ПНЧ с хорошей линейностью, скоростью и динамическим диапазоном. |
Схема имеет большое входное сопротивление, работает от однополярного источника питания и может непосредственно подключаться к микроконтроллерам. Нелинейность ПНЧ не превышает 0.1%, вплоть до частоты 700 кГц, а динамический диапазон равен 60 дБ. Схема состоит из интегратора, компаратора и ждущего мультивибратора (Рисунок 1). Выходная частота пропорциональна входному напряжению:
,
где
VCC – напряжение питания, равное 5 В,
tOS – длительность импульса мультивибратора, определяемая выражением tOS=0.7×ROS×COS.
Напряжение питания VCC должно быть отфильтрованным и хорошо стабилизированным, так как при изменении VCC наклон характеристики преобразования также изменяется. Элементы интегратора CINT и RINT в выражение для tOS не входят, поэтому они не должны быть ни стабильными, ни прецизионными. Однако, и это очень важно, конденсатор CINT должен иметь небольшой коэффициент диэлектрической абсорбции.
 |
|
| Рисунок 2. | Поскольку амплитуда импульса превышает входное напряжение, ток, протекающий через CINT, меняет направление, и конденсатор частично разряжается. |
Для того чтобы ПНЧ гарантированно начинал генерировать импульсы при любом входном напряжении, сделана схема запуска, состоящая из времязадающей цепи R1, C1, R2 и интегрального ключа S1. После включения питания ключ остается открытым в течение приблизительно 1 с, давая возможность конденсатору CINT полностью разрядиться. После открывания ключа S1 конденсатор CINT начинает заряжаться фиксированным током, величина которого прямо пропорциональна входному напряжению. В результате на выходе интегратора образуется нарастающее пилообразное напряжение. В момент, когда это напряжение достигает порогового уровня триггера Шмитта на входе 1B микросхемы IC2, последняя генерирует одиночный импульс. Поскольку амплитуда импульса превышает входное напряжение, ток, протекающий через CINT, меняет направление, и конденсатор частично разряжается (Рисунок 2).
После окончания импульса выходное напряжение интегратора вновь начинает линейно нарастать, и цикл повторяется. Благодаря триггеру Шмитта, встроенному на вход микросхемы ждущего мультивибратора IC2, отпадает необходимость в отдельном компараторе. Для многих приложений какая-либо дополнительная настройка ПНЧ не требуется. Масштаб преобразования, можно менять, руководствуясь Таблицей 1, с помощью подстроечного резистора, составляющего часть ROS.
| Таблица 1. Характеристики ПНЧ для различных диапазонов выходных частот | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Варьируя значения CINT и ROS, можно управлять диапазоном выходных частот ПНЧ. От диапазона существенным образом зависит линейность схемы. В таблице приведены значения ошибки линейности в процентах от полной шкалы, определявшейся по результатам измерений одиннадцати равноотстоящих значений входного напряжения в диапазоне от 2 мВ до 2 В.
Ссылки
- Williams, Jim, «0.02% V/F converter consumes only 26 μA,» EDN, July 4, 1996.
- Williams, Jim, «1-Hz to 100-MHz VFC features 160-dB dynamic range,» EDN, Sept 1, 2005, pg 82.
- «LM231A/LM231/LM331A/LM331 precision voltage-to-frequency converters,» National Semiconductor, April 2006.
- Pease, Robert A, «Wide-Range Current-to-Frequency converters,» AN-240, National Semiconductor, May 1980.
- Pease, Robert A, «New Phase- Locked-Loops Have Advantages as Frequency-to-Voltage Converters (and more),» AN-210, National Semiconductor, April 1979.
