Тема 3.
Завдання. Спроектувати обладнання для цифрового виміру частоти проходження імпульсів.
Для виміру або представлення у цифровій формі частоти проходження імпульсів необхідно, як і при вимірі амплітуди, підрахувати число імпульсів в одиницю часу (секунду). Схемотехнічна основа цієї процедури – лічильник і таймер, уже розглянуті вище.
Функціональна схема приладу показана на рис. 3.
Рис. 3. Функціональна схема приладу 3
Схема запуску Зап використовується для обнуління лічильника й старту формування часового інтервалу таймером Тайм. Вимір може як однократним, так і періодичним.
3. Типові перетворювачі аналогового сигналу
Попередня обробка аналогового сигналу проводиться за допомогою блоків на основі операційного підсилювача (ОП). Схемотехніка типових блоків показана на рис. 4.
Схема на рис. 4а являє собою інвертуючий підсилювач напруги з коефіцієнтом передачі, рівним (–R2/R1), причому R1 є внутрішнім опором джерела сигналу.
У схемі на рис. 4б неінверсний коефіцієнт передачі визначається як величина, зворотна глибині від’ємного зворотного зв'язку.
Схема на рис. 4в є окремим випадком попередньої схеми й називається повторювачем напруги.
У схемі на рис. 4г вихідна напруга утворюється вхідним струмом, а резистор зворотного зв'язку R виконує роль навантаження; крім того, мабуть, повинне бути RГ >> RОС і RГ >> RВХ (RВХ – вхідний опір ОП).
У схемі на рис. 4д вихідний струм виходить із вхідної напруги; помітимо, що в схемі присутня позитивний зворотний зв'язок, глибина якої (R1+RН)/(R2+R11 |rн) менш глибини від’ємного зворотного зв'язку R1/(R2+R1); а якщо ні, то можна було б очікувати самозбудження підсилювача.
Рис. 4 Схемотехніка типових блоків
У схемі детектора на рис. 4е зі знакозмінної вхідної напруги виділяються позитивні імпульси напруги. Діод VD2 використовується для зниження коефіцієнта передачі майже до нуля при позитивній вхідній напрузі.
Схеми на рис. 4ж, з являють собою обмежники сигналу з використанням двох стабілітронів з напругою U, включених послідовно, або двох кремнієвих діодів у зустрічно-паралельному включенні.
Схеми на рис. 4і, к, л, які іноді називають тригерами Шмитта, використовуються як компаратори й дискримінатори рівня вхідної напруги.
Основні параметри деяких часто використовуваних ОП наведені у табл. 2.
Таблиця 2. – Основні параметри ОП.
Мікросхема |
KU, 103 |
UЗН, мВ |
IВХ, на |
f1, МГц |
VU, В/мкс |
±UДЖ, В |
UВИХ, В |
IСПС, мА |
KР140УД1 |
2 |
10 |
8103 |
5 |
0,5 |
12,6 |
6 |
8 |
KР140УД5 |
1 |
5 |
104 |
14 |
6 |
12,6 |
6,5 |
12 |
K140УД7 |
50 |
6 |
200 |
0,8 |
1 |
15 |
11,5 |
2,8 |
KР140УД8 |
50 |
20 |
0,2 |
1 |
5 |
15 |
10 |
2,8 |
K140УД12 |
200 |
5 |
10 |
1 |
0,3 |
(1,5...18) |
1...10 |
0,1 |
KР140УД17 |
200 |
0,1 |
10 |
0,4 |
0,1 |
15 |
12 |
5 |
K153УД3 |
35 |
5 |
350 |
1 |
2 |
12,6 |
10 |
8 |
KР544УД1 |
10 |
9 |
200 |
10 |
80 |
15 |
12 |
7 |
KР544УД1 |
50 |
30 |
0,15 |
1 |
5 |
15 |
10 |
3,5 |
KР544УД2 |
20 |
50 |
0,6 |
15 |
20 |
15 |
12 |
7 |
KР574УД2 |
100 |
25 |
1,0 |
3 |
25 |
15 |
10 |
10 |
У табл. 2 наведені значення:
KU – коефіцієнта підсилення напруги;
UЗН – напруги зсуву нуля;
IВХ – вхідного струму;
f1 – частоти одиничного посилення;
VU – швидкості наростання вхідної напруги;
UДЖ – напруги джерела живлення;
UВИХ – максимальної вихідної напруги;
Iспс – споживаного струму.
Як випливає з таблиці, ці параметри можуть суттєво різнитися. Можна відзначити швидкодіючі ОП (KI54УДЗ, КР544УД2), ОП із гранично низьким споживанням струму (KI40УД12), ОП з високим вхідним опором (KPI40УДЗ і ін.). Таким чином, вибір ОП необхідно ретельно зіставляти з умовами завдання на проектування.
Для вибірки й запам'ятовування миттєвого значення аналогового сигналу в процесі перетворення його в цифрову форму використовуються прилади вибірки-зберігання, що представляють собою аналогові запам'ятовувальні пристрої. Звичайно такі прилади являють собою високоомні інтегруючі ОП й кілька ключів на основі польових транзисторів. На рис. 5 показана мікросхема вибірки-зберігання типу КР1100СК2, що містить два ОП із вхідним опором більш 10 МОм і ключову схему керування.
Рис. 5 Мікросхема вибірки-зберігання
Аналізована напруга зберігається на ємності С = 20…1000 пФ. Час вибірки перебуває в межах 5…10 мкс, а швидкість спаду напруги, що зберігається, за рахунок розряду С не вдається зробити нижче 0,2 В. Звідси неважко оцінити необхідну швидкість перетворення. Наприклад, якщо час аналого-цифрового (АЦ) перетворення напруги 1В становить 100 мкс, то величина спаду напруги складе не менш 0,2х10-4 В, що відповідає похибці 0,002%. Для керування використовується позитивний імпульс напруги амплітудою 3...7 В (стадія вибірки).
Аналоговий сигнал постійного рівня або вибірка мінливого в часі сигналу можна перетворити в послідовність імпульсів певної частоти, що залежить від рівня сигналу. Рис. 6 а, б, в пояснює загальний принцип перетворення напруги-частота (U-F) (а), а також включення мікросхеми КР1108ПП1 у якості перетворювача U-F (б) і зворотного перетворювача F-U (в). При зарядці інтегруючої ємності Си до рівня опорної напруги Uоп спрацьовує компаратор К, після чого запускається моностабильний формувач (одновібратор) МФ, вихідний імпульс якого використовується як перетворений сигнал, а також для розрядки ємності С. Мікросхема КР1108ПП1 перетворює позитивну напругу 0…10 V в частоту 0…10 кГц із крутістю перетворення 1 кГц/хв-1 і нелінійністю характеристики перетворення не більш 10-8; при цьому R1 = 34 кОм; R2 = 560 Ом; C1 = 10 нФ; С2 = 36 нФ (рис. 6, б).
Рис. 6 Схеми перетворювачем.
Зворотне перетворення (рис. 6, в) із крутістю характеристики 1Вх здійснюється при R1 = 34 кОм; С1 = 20 пФ, С2 = 3,6 нФ; зрозуміло, що обоє включення мікросхеми мають різні вихідні крапки. Живлення U = ±(12…19)В, споживаний струм Iпот = 8 мА, амплітуда вихідного сигналу до U.