Михаил Шустов, г. Томск
Описывается принцип действия и приводятся схемы аналого-цифровых частотных реле, переключение которых происходит при превышении частотой входного сигнала некоторого заданного значения
Аналого-цифровые частотные реле, рассматриваемые в статье, предназначены для реагирования исполнительного или индицирующего устройства на превышение контролируемой частотой заданного граничного значения. Неоспоримым преимуществом таких реле является то, что их можно легко настроить на работу в диапазоне частот от единиц Гц до сотен кГц.
 |
||
| Рисунок 1. | Одноканальное аналого-цифровое частотное реле на fГР ≈ 10 кГц. | |
Работа аналого-цифровых частотных реле основана на зарядно-разрядных процессах в RC-цепочках [1, 2]. На Рисунке 1 представлен один из вариантов такого реле. Входной сигнал КМОП-уровня скважностью 2 поступает на вход логического элемента DD1.1 CD4011 (К561ЛА7). К выходу этого элемента подключена RC-цепочка, определяющая граничную частоту срабатывания реле. Для указанных на схеме номиналов элементов fГР ≈ 10 кГц. Эту частоту можно определить по формуле
Конденсатор заряжается по экспоненциальному закону во время присутствия логической единицы на выходе элемента DD1.1 и практически мгновенно разряжается через диод VD1 в момент переключения логического элемента (см. диаграмму, Рисунок 2).
 |
||
| Рисунок 2. | Диаграммы сигналов в контрольных точках устройства. | |
Второй логический элемент DD1.2 выполняет роль компаратора и, одновременно, элемента «И-НЕ», формируя на своем выходе сигнал логического уровня, длительность которого увеличивается с ростом частоты входного сигнала. Этот сигнал, а также ток через резистор R3 заряжает конденсатор C3 второй RC-цепочки (R2C3) при наличии высокого логического уровня на выходе DD1.2 и мгновенно сбрасывает заряд конденсатора через диод VD2 при переключении логического элемента.
В итоге в области входных частот f < fГР напряжение на конденсаторе C3 не превышает напряжения пробоя стабилитрона VD3, который предназначен для снижения вероятности ложного срабатывания выходного ключевого каскада. При дальнейшем повышении частоты (см. Рисунок 2), когда частота входных импульсов достигнет или превысит значения fГР, на выходе логического элемента DD1.2 будет постоянно присутствовать значение логической единицы, а напряжение на конденсаторе C3 достигнет максимального значения. На вход ключевого каскада на транзисторе VT1 поступит управляющий сигнал, включающий нагрузку (реле, светодиод т.п.). Переходная область частоты переключения для fГР = 10 кГц укладывается в полосу шириной менее 100 Гц.
На Рисунке 3 приведена схема трехканального аналого-цифрового частотного реле с использованием ранее незадействованных логических элементов КМОП-микросхемы CD4011 (К561ЛА7). Блоки Pf1–Pf3 выполнены по идентичной схеме (см. Рисунок 1). Граничная частота срабатывания первого канала (10 кГц) осталась без изменения, поскольку суммарное сопротивление параллельно включенных резистора R1 и потенциометров R2, R3 осталось неизменным (7.5 кОм). Частоты срабатывания остальных каналов можно плавно регулировать в сторону повышения потенциометрами R2 и R3.
К числу не столь существенных недостатков реле можно отнести их срабатывание в случае, если частота входного сигнала становится ниже 0.01fГР. Эта частота определяется постоянной времени цепочки R2C3, Рисунок 1.
 |
||
| Рисунок 3. | Трехканальное аналого-цифровое частотное реле. | |
Количество каналов реле может быть существенно расширено при использовании решения, показанного на Рисунке 3. Как уже говорилось ранее, частотные границы работы реле могут быть откорректированы в ту или другую стороны путем пропорциональной коррекции номиналов RC-цепочек.
Литература
- Шелестов И.П. Радиолюбителям полезные схемы. Вып. 4. – М.: Солон-Р, 2001. – С. 195–197.
- Шустов М.А. Цифровые частотные фильтры // Радиолюбитель. – 2018. – № 3. – С. 22–23.
