Преобразователь Напряжение-Частота

Рис. Принципиальная схема преобразователя напряжение – частота на двух ОУ.

Рассчитаем элементы принципиальной схемы преобразователя напряжение – частота.

Зададим следующие параметры:

Напряжение питания: Ep=15В;

Диапазон работы преобразователя:

Минимальное входное напряжение: Uintmin=0,2В

Максимальное входное напряжение: Uintmax=10В

Максимальная частота: Fmax=5кГц

Минимальная частота: Fmin=100Гц

Также зададим:

:

Kd=R2/(R1+R2)- коэффициент делителя на резисторах R1 и R2 (Kd<0.5): Kd=0,3

Id [A] - ток через делитель при Uintmax [B], Id=0,1мА

Минимальный ток интегрирования: Imin=5мкА

Выберем марку ОУ из условия, что максимальная скорость Vou изменения выходного напряжения ОУ должна быть не ниже, чем: Vou = (2*Ep)/(0.01*Tmin [В/с], где:

[В/c]

Выберем ОУ марки LH4105C.

Вычислим сопротивления R1 и R2:

Напряжение стабилизаци Ust =9 [B]

Номинальный ток стабилизации Ist = 0,5*10^-3[A]

Напряжение порога триггера определяется как Upor=0.6+Ust=9,6 [B], где 0.6 - напряжение на прямосмещенном стабилитроне.

Введем максимальный уровень выходного напряжения Umax=13[В].

Сопротивление R6 определим как:

Сопротивление R5 зададим равным 100 кОм.

Далее рассчитаем параметры преобразователя, когда выходное напряжение триггера Шмитта представляет собой меандр (Т1-длительность положительного импульса, Т2-длительность отрицательного, Т1=Т2).

Сопротивление R4 определяется как:

Чтобы при заданном напряжении Uintmax иметь длительность Т2min, конденсатор С1 должен иметь следующую величину:

Для равенства времен Т1=Т2 сопротивление R3 должно быть равно:

Коэффициент преобразования Kpr [Гц/В] (F=Kpr*Uint):

Рис Схема исследуемого преобразователя U-F.

Рис. Осциллограммы напряжений и тока преобразователя U – F при заданном минимальном входном напряжении.

Блок формирования синусоидального сигнала.

Синусоидальный сигнал формируется из треугольного сигнала, поступающего с выхода генератора пилообразного сигнала.

Синусный преобразователь реализует выражение

(1)

в диапазоне изменения входного напряжения .

Здесь – соответственно амплитуды сигнала на входе и выходе преобразователя.

Для заданного значения амплитуды выходного сигнала амплитуда входного сигнала преобразователя рассчитывается исходя из следующих соображений. Для малых значений входного напряжения можно записать

. (2)

Целесообразно выбирать значение амплитуды так, чтобы вблизи нуля выполнялось условие . В этом случае значение амплитуды выбирается в соответствии с соотношением

. (3)

Для построения синусного преобразователя обычно используется принцип кусочной аппроксимации, в соответствии с которым синусоида заменяется отрезками прямых линий с заданным углом наклона. Число точек излома выбирается кратным .

Можно показать, что в выходном сигнала будут отсутствовать первые нечётных гармоник, если положения точек излома выбраны таким образом, что отсчёты сигнала на входе преобразователя будут удовлетворять соотношению

. (4)

Соответствующие им значения выходного напряжения с учётом выражений (1) и (4) определяются формулой

. (5)

Наклон соответствующих аппроксимирующих отрезков равен

. (6)

Коэффициент , определяющий наклон начального участка, выбран равным 1. В точке максимума аппроксимирующий отрезок горизонтален, т. е. .

На рисунке 6 приведена схема преобразователя, в которой реализована кусочная аппроксимация выходного сигнала с точками излома.

Рис. 6. Блок формирования синусоидального сигнала.

Расчёт схемы синусного преобразователя.

Амплитуда входного треугольного напряжения

Из формулы (3) получим

Выберем для аппроксимации точек излома.

Из формулы (5) найдём значения напряжения выходного сигнала, при котором изменяется наклон кривой. Они равны соответственно:

Учитывая реальные характеристики диодов, следует скорректировать полученные значения напряжения так, чтобы начальный момент открывания диодов наступал при входном напряжении, меньшем на значение, равном прямому напряжению на диоде .

Выбор диодов производится с учётом следующих требований:

малое значение прямого напряжения на диоде ;

малый обратный ток .

На основании изложенных требований выберем диод D102.

Примем .

Окончательно получаем:

Наклоны шести участков находим с помощью формулы (6):

Для того чтобы цепь делителя не влияла на выходной сигнал, ток делителя должен удовлетворять соотношению

,

где – максимальное падение напряжения на резисторе .

Тогда значения сопротивлений делителя равны:

Примем

Тогда

Значение сопротивления выберем равным .

Расчёт сопротивлений резисторов производим, исходя из заданных значений наклонов аппроксимирующих прямых .

Пренебрегая внутренними сопротивлениями цепей делителя напряжения, можно записать

Из этих выражений получаем:

Рис. Моделирование формирования синусоидального сигнала