44. Преобразователи напряжение-частота (пнч), типовая структура с преобразователем напряжение-ток.

У частотных датчиков вых сигнал имеет цифровое представление (частота следования импульсов или число импульсов за единицу времени), что явл удобным для дальнейшей обработки сигнала в цифр сист контроля и управления, т.к. достаточно иметь счетчик для подсчета импульсов.

Поэтому ПНЧ явл простейшими АЦП. Если счетчик на вых ПНЧ работает от внешнего генератора и считает импульсы, поступающие на его вход в период м/у имп-ми ПНЧ, то точность и быстродействие такого АЦП м/б заметно увеличено простым повышением частоты ГТИ.

Современные сх таких преобр-й на дискретных компонентах позволяет достичь линейность преобр-я до 0,001% в достаточно широком диапазоне f и U. Интегральные БИС обеспечивают линейность не хуже 0,01%.

Одним из способов построения ПНЧ явл-ся преобразование Uвх в пропорциональное ему частоту выходных импульсов одинаковой длит-ти.

Реализовать его можно по следующей структуре:

Uвх преобр-ся в пропорц-ю ему частоту вых имп одинаковой длит-ти. Чтобы этого достичь, Uвх сначала преобр-ся в ток Iвх, и заряжает прецизион конд-р Сн, ктр д/н иметь 4 обязат параметра, влияющ на понятие прецизионности: 1.темп-ый коэф емкости стремится к 0; 2.тангенс угла диэлектр потерь ; 3.; 4. коэффициент адсорбции. (Сн- полистирольн, поликарбонатн, комбинирован)

В исходн состоянии переключатель S₁ замкнут, конденсатор С разряжен и напряжение на нем Uc=0. Конд-р заряжается по пиле, соотв начало экспоненты с больш постоянной вр. При размыкании S₁ с помощью одновибратора конде-р заряжается со скоростью Iвх/С По истечении вр

, когда U_c = U_on, переключается выходное напряжение компаратора А1 и запускается одновибратор. Одновибратор формирует импульс, по фронту которого S₁ замыкается, а напряжение U_c=0 – Сн разряжен. По срезу выходного импульса вновь размыкается S₁ и описанный цикл работы повторяется. Чем больше U_BX, тем быстрее заряж Сн, тем выше выходная частота следования импульса. Описанный способ построения был положен в основу многих схем ПНЧ, спроектированных на ОУ и выполнен в виде мс (например, БИС КРП08ПШ).

45. Пчн к1108пп1. Структура, работа, временные диаграммы, особенности компенсации погрешности.

При вкл-и К1108ПП1 в кач-ве ПЧН импульсы вх частоты подаются на запуск входящего в его состав одновибратора, а вых-е напр-е пропорци-но сред-му знач-ю тока источника I1, поступающего на вход, усилителя DA1.

Для согласования входа компаратора DA2 с выходом ТТЛ-микросхем на инвертирующий вход DA2 может быть подано дополнительное напряжение смещения (резистивный или резистивно-диодный делитель от шины +U_пит на вывод 10 и на общую шину, вывод 14), задающее на выводе 10 потенциал +2,5В.

Типовая схема включения:

Преобразователь здесь срабатывает по срезу ТТЛ-сигналов fвх. Если импульсы входной частоты не соответствуют ТТЛ-уровню, то необходимо просто обеспечить снижение потенциалов на выводе 10 до 0,6В при передаче среза импульса входной частоты. R2 и R3 обеспечивают балансировку выходного напряжения. Вывод 14 нужен для повышения температурной стабильности подключается к земле через резистор 8кОм.

Значение выходного напряжения ПЧН определяется соотношением:

Для получения хорошей линейности зависимости Uвых=f(fвх) необходимо, чтобы скважность входных импульсов была не менее, чем 4. Хотя сглаживание пульсаций выходного напряжения ПЧН производиться с помощью конденсатора С1, в состав Uвых в этом режиме всегда содержаться высшие гармоники, наличие которых часто недопустимо. Для их подавления к выходу ПНЧ рекомендуется подключать активный фильтр, обеспечивающий подавление высокочастотных гармоник на 40-60дБ без искажения выходного сигнала (ФНЧ). Естественно все это удорожает ПЧН. На вх 10 куда подается вх частота, если до 2В, то дополн подается U_смещ р-ры R₄, R_5. Если входн частота выше 3,5В по ТТЛ уровню, то смещ по вх 10 R₅ не нужно. Если импульсы входной частоты fвх представляют собой импульсы двухполярного напряжения, то цепочки на вывод 10 не нужны.

Преобразователь включает в себя ОУ DА1, два компаратора DА2, DА3, RC-триггер DD1, два источника стабильных токов I1 и I2, два аналоговых ключа S1 и S2, источник опорного напряжения - Ur, логический элемент DD2 (схема U, один из входов которой инверсный) и выходной транзистор VТ1, обеспеч-й выход с открытым коллектором. Необходимые внешние элементы (режим ПЧН): конденсаторы С1 и С2 и резисторы R1 и R2. ОУ DА1, резистор R1 и конденсатор С1 образуют интегратор, компараторы DА2, DА3, RC-триггер, ключ S2, конденсатор С2 и внутренний источник тока I2 образуют одновибратор. Работает ПНЧ след.обр.: При подключении положит-ого Uвх напряж-е на выходе интегратора DА1 уменьшается. RS–триггер при этом находится в состоянии «0», ключ S1 подключен к выходу DА1, а ключ S2 замкнут на конденсатор С2. Ток I1 служит нагрузкой для DА1, причем на его выходное напряж-е не влияет ( внутр. генератора тока →∞), генератор тока I2 замыкается через ключ S2 на землю. Когда нпряж-е на выходе интегратора DА1 уменьшается до 0, срабатывает компаратор DА2 и сбрасывает RS-триггер в сост-е «1». Такое переключение эквивалентно запуску одновибратора: ключ S1 переключает ток на вход интегратора DА1, а ключ S2 размыкается. При этом ток I2 разряжает конденсатор С2, и когда это напряж-ие сравнивается с Ur, срабатывает второй компаратор DА3, кот-й возвращает RS-триггер в состояние «0». Пока конденсатор С2 разряжался, ток I1 подавался на инвертирующий вход интегратора DА1 и напряж-е на его выходе возрастает. Затем снова срабатывает компаратор DА2, переводящий RS-триггер в состояние «0» и процесс повторяется. Фактически длительность выходного импульса одновибратора преобразователя,в течение которого интегрируется Uвх и ток I1, определяется разрядом вспомогательного времязадающего конденсатора С2 током I2: Т1 = (-Ur) C2/I2.

т.к. имеет место интегрирующее преобразование (заряд-разряд конд. С1), то уравновешивании (компенсации) током I1 входного напряж-я Uвх должен соблюдаться баланс токов: Тx*Iвх +Т1*I1 =0, т.к. Iвх = Uвх/R1.

(инвертирующий вход ОУ-«виртуальная земля»), то Тx*Uвх/R1+(-Ur)*C2/I2 *I1 = 0/

Отсюда при условии Uвх=const в течение одного цикла интегрирования, можно найти

Fx = 1/Tx = Uвх/Ur*I2/I1*1/(R1C2), fx = fвых.