Преобразователь напряжение – частота

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

"МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)" в г. Смоленске

 

 

 

 

 

Кафедра электроники и микропроцессорной техники

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

по дисциплине «Электронные цепи и микросхемотехника»

Тема: «Преобразователь напряжение – частота»

 

 

 

 

 

 

Студент группы 

 

 

Руководитель проекта

                         

 

«Проект допущен к  защите» 

 

 

 

дата «___» _______________

 

 

 

 

Смоленск 2009

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АННОТАЦИЯ

Преобразователи напряжение—частота ПНЧ (Voltage-to-Frequency Converters VFC) являются наиболее дешевым средством преобразования сигналов для многоканальных систем ввода аналоговой информации в ЭВМ, обеспечивающим высокую помехозащищенность и простоту гальванической развязки. ПНЧ — отличное решение для задач измерения усредненных параметров, расхода, а также задач генерирования и модуляции частоты.

 

ПНЧ относятся к классу интегрирующих преобразователей, поэтому  обладают соответствующими достоинствами: хорошей точностью при минимальном  числе необходимых прецизионных компонентов, низкой стоимостью, высокой  помехоустойчивостью, малой чувствительностью к изменениям питающего напряжения, отсутствием дифференциальной нелинейности.

 

ПНЧ преобразует входное  напряжение в частоту выходных импульсов, которые могут передаваться на большие  расстояния без искажения информационного  параметра — частоты.

 

 

 

 

 

 

SUMMARY

 Voltage-to-Frequency Converters VFC are the cheapest means of transformation of signals for multichannel systems of input of the analog information in the COMPUTER, providing high noise immunity and simplicity of a galvanic outcome. ПНЧ - the excellent(different) decision for problems(tasks) of measurement of the average parameters, the charge, and also problems(tasks) of generating and modulation of frequency.

         VFC concern to a class of integrating converters, therefore possess corresponding advantages: good accuracy at the minimal number of necessary precision components, low cost, a high noise stability, small sensitivity changes of a having voltage, absence of differential nonlinearity.

          VFC will transform an entrance voltage to frequency of target pulses which can be transferred to the big distances without distortion of information parameter - frequencies.

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Преобразователи напряжение-частота  являются простейшими АЦП. Современные  схемы преобразователей на дискретных компонентах обеспечивают линейность преобразования от 0,1 до 0,001 %. В полупроводниковых БИС преобразователей достигнута линейность 0,01%. Точность преобразования существенно зависит от динамического диапазона входных сигналов. При широком диапазоне линейность преобразования максимальна. Очень просто построить АЦП на базе преобразователя напряжение-частота, подключив к его выходу цифровой счетчик. Счетчик работает от внешнего тактового генератора и считает импульсы, поступающие на его вход в период между выходными импульсами преобразователя напряжение-частота. Чем больше этот период, тем выше содержимое счетчика. Содержимое счетчика преобразуется на его выходе в двоичный код. И точность, и быстродействие такого АЦП можно увеличить, повысив частоту выходного сигнала тактового генератора. Обладая сравнительно низким быстродействием, прецизионные АЦП этого типа очень удобны для построения цифровых вольтметров.

Еще одним интересным, с практической точки зрения, примером применение ПНЧ может служить использование преобразователя в электронных системах досмотра. На вход ПНЧ поступает напряжение с выхода суммирующего усилителя (СУ), которое тем больше, чем больше размеры и масса металлического предмета и чем меньше расстояние между ним и поисковым элементом. Выходное напряжение ПНЧ управляет ключом ЭК, в цепь которого включен звуковой излучатель ЗИ. Благодаря ПНЧ тон звуковой сигнализации тем выше, чем больше металлический предмет и ближе к поисковому элементу. При досмотре это позволяет косвенно судить о характере предмета.

 

Вкратце были описаны как стандартный, так и нетривиальный способы работы ПНЧ для того, чтобы подчеркнуть возможности, открываемые перед разработчиками при использовании этого устройства. Очевидно, что это далеко не все области применения преобразователя напряжение - частота, так как круг использования устройства поистине широк, начиная от бытовой электроники и заканчивая военными радиолокационными системами.

 

1 Анализ технического задания

        Так как частота генерируемого сигнала изменяется от 1кГц до 10кГц, то в качестве одного структурных узлов ПНЧ (мультивибратора) целесообразно использовать ИМС таймера 555 серии (отечественный аналог КР1006ВИ1), ставшей уже классической для подобного рода устройств.

        Двустороннее ограничение частоты выходного сигнала предполагает использование дополнительной цепи ограничения напряжения входного сигнала. Для этой цели используется простейший параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне. Для обеспечения точности преобразования необходимо использовать стабильный источник тока. В данной курсовой работе применено «токовое зеркало» на биполярных транзисторах. Согласно техническому заданию, скважность выходного сигнала должна быть постоянной (Q = 2), поэтому еще одним узлом схемы будет являться синхронный D-триггер, используемый в качестве делителя частоты и обеспечивающий заданную скважность генерируемого сигнала.         

        Так как нагрузка является низкоомной, то для получения импульсов нужной амплитуды целесообразно использовать мощный выходной каскад.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Обзор преобразователей напряжение – частота

       В ходе анализа учебной и научной литературы по теме «Преобразователь напряжение – частота»  были отмечены основные способы построения данного типа схем, выявлены  их достоинства и недостатки [5]. Резюмируя полученную информацию, можно отметить следующие способы реализации данного устройства:

 

2.1 ПНЧ – единая интегральная микросхема

       Отечественная промышленность выпускает несинхронизируемый ПНЧ типа КР1108ПП1 и аналогичный КР1143ПП1 [9]. Их зарубежные аналоги, совместимые по выводам — ADVFC32 фирмы Analog Devices, VFC32 и VFC320 фирмы Burr-Brown. Упрощенная функциональная схема такого ПНЧ показана на рис. 3.1. ПНЧ включает в себя усилитель А1, компаратор А2, одновибратор, источник стабильного тока I₀, аналоговый ключ S и выходной транзистор. Для построения ПНЧ микросхему следует дополнить двумя конденсаторами С1, С2 и двумя резисторами R1, R2. Элементы R1, С1, А1 образуют интегратор. Конденсатор С2 задает длительность импульса одновибратора t = kC₂, где k определяется характеристиками микросхемы (в VFC32 I₀ = 1 мА, k = 75 кОм). Импульсы тока I₀ уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением V_IN :TV_IN / R₁ = kC₂I₀, откуда f = 1 / T = V_IN / (kI₀R₁C₂).

 

 

Рис. 2.1.1 Типовая схема включения и диаграммы сигналов VFC32

 

       Стабильность характеристики преобразования ПНЧ зависит от стабильности внешних элементов R1, C2 и внутренних параметров k, I₀ микросхемы. Кроме того, для обеспечения высокой линейности преобразования конденсатор С1 необходимо выбирать с малой утечкой и малым коэффициентом диэлектрической абсорбции (полипропиленовый, полистирольный, поликарбонатный).

       Диапазон входных токов задается равным 0,25I₀, а резистор R₁ устанавливает входной диапазон напряжения от 0 до V_INmax = 0,25I₀R₁.

ПНЧ содержит выходной каскад с открытым коллектором. Напряжение питания этого каскада выбирается из условия согласования с последующими цифровыми цепями. Допустимый ток его достаточен для управления светодиодом оптрона или обмоткой импульсного трансформатора в схемах гальванической изоляции аналоговых входов.

       С помощью рассматриваемого ПНЧ можно преобразовывать отрицательные напряжения, но для этого нужно изменить подключение входного сигнала. Иными словами, прямое преобразование биполярных сигналов не предусмотрено.

       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 %.

 

2.2 ПНЧ на основе ОУ и дискретных компонентов

        Данный способ реализации преобразователя можно выделить в отдельную группу [4], исходя их того, что один из основных узлов схемы (одновибратор) выполнен на дискретных компонентах. Рассмотрим более подробно данную схему.

 

Рис. 2.2.1 ПНЧ на основе ОУ и дискретных компонентов

 

        Операционный усилитель в данной схеме выполняет функцию компаратора, который сравнивает входной сигнал с напряжением U_B на конденсаторе С. Если U_вх > U_B , то компаратор запускает одновибратор, который выдает прямоугольный импульс определенной длительности. Этот импульс поступает на ключ, и начинается зарядка конденсатора С с генератора тока (на рис. 2.2.1 - это двойной кружок). После закрытия ключа, конденсатор разряжается через резистор R до напряжения U_вх. Когда напряжение U_B станет меньше входного, компаратор опять запускает одновибратор и на выход поступает импульс. Вышеописанная обратная связь позволяет поддерживать равенство U_вх = U_B , при этом время разряда конденсатора пропорциональна входному напряжению. Таким образом, частота следования импульсов пропорциональна напряжению. 

        Однако, следует отметить, что из-за наличия дискретных компонентов в составе одновибратора, точнее разброса их номиналов, а следовательно и уменьшения точности преобразования, такая схема большого распространения не получила.

 

2.3 ПНЧ на основе ИМС таймера 555 серии

       Выделяя данный способ реализации ПНЧ в отдельную группу, можно руководствоваться следующими причинами:

 

• Только один из структурных узлов схемы (мультивибратор) реализован на ИМС, остальные узлы схемы – это самостоятельные электронные компоненты
• Схема мультивибратора на основе таймера 555 стала классической для реализации подобного рода устройств, а ее применение на низких частотах генерируемого сигнала позволяет получить хорошую точность преобразования
• Данный способ реализации устройства является наиболее экономичным и доступным среди всех вышеперечисленных

 

       Схем реализации ПНЧ на основе таймера 555 огромное множество. В зависимости от решаемых задач, они делают упор либо на точность преобразования, либо на стоимость реализации устройства и использования тех или иных дополнительных компонентов и т.д. Один из вариантов такой схемы представлен ниже [9].

 

 

Рис. 2.3.1 Схема простого ПНЧ на основе таймера 555 серии

 

       Сердцем данной схемы служит интегратор Миллера на операционном усилителе TL071. Диапазон входного управляющего напряжения в диапазоне от 0 до −10V соответствует изменению выходной частоты в диапазоне от 0 до 1000Hz. Зависимость выходной частоты преобразователя от входного управляющего напряжения можно рассчитать по приблизительной формуле: f_OUT=V_IN/(P1+R1)×C1×1/3V_CC. Изменением сопротивления P1 выполняется калибровка точности соотношения напряжение/частота. Если  задать нижний предел частоты в100Hz при напряжении −1V, а верхний диапазон в 1000Hz при −10V, то ошибка преобразования составит от 0.3% до 3% по диапазону. При калибровке в точке −5V ошибка преобразования составит менее 1.3% по всему диапазону. Для повышения точности необходимо выбирать ёмкость C1 с минимальным тангенсом угла потерь. Можно значительно уменьшить температурную зависимость преобразователя, выбрав резистор R1 с наименьшим температурным коэффициентом, а в качестве P1 применив многооборотный металлокерамический потенциометр.

       Анализ и оценка полученной информации позволили нам сделать выбор в пользу третьего способа реализации ПНЧ, т.е. на основе таймера 555 серии с дополнительными электронными компонентами. Подробный расчет и моделирование схемы приведем в последующих разделах работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Структурная схема ПНЧ

В данном курсовом проекте  будет использоваться следующая структурная схема ПНЧ:

 

 Входной

 сигнал

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                   Выходной

                                                                                                             сигнал                                                

 

Рис.4.1 Структурная схема  ПНЧ

 

Рассмотрим более подробно основные функциональные узлы схемы:

 

1. Ограничитель напряжения на основе кремниевого стабилитрона

       Для того чтобы выходной сигнал имел двухстороннее ограничение 1 кГц<f<10 кГц используем простейший параметрический стабилизатор входного напряжения на основе кремниевого стабилитрона. Данная схема обладает как достаточной простотой, так и, с некоторыми допущениями, нужной точностью ограничения.