5.1. Краткие теоретические сведения

Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) широко используются в качестве интерфейса связи между системой цифровой обработки сигналов и аналоговыми устройствами. Для этих же целей применяют и преобразователи аналогового сигнала в цифровой код (АЦП), но по сравнению с ними ПНЧ проще и дешевле при одинаковых характеристиках.

Рисунок 5.1

Рассмотрим структурную схему простейшего ПНЧ (рис.5.1.). Преобразователь содержит интегратор, емкость которого заряжается от источника входного сигнала е_с, а разряжается источником постоянного тока –I₀. Подключает е_с и –I₀ к входу интегратора коммутатор К, управляемый инвертирующим триггером. Последний имеет петлю гистерезиса, ширина которой равна U₁ – U₂. Вследствие этого, а также того, что триггер управляет коммутатором, выходное напряжение интегратора колеблется между U₁ и U₂ (рис.5.2.). Частота следования выходных импульсов триггера изменяется в зависимости от значения е_с, так как I₀=const и определяет максимальную частоту преобразования. К выходу интегратора в момент времени t₁ подключается напряжение е_с, причем в этот момент напряжение на конденсаторе, совпадающее с выходным напряжением интегратора, достигло значения U_e(t₁)=U_n(t₁)=U₁. За время Δt⁺=t₂-t₁ выходное напряжение интегратора

U_n(t₂)=- +U₁=- +U₁ (5.1)

станет равным второму порогу срабатывания триггера U_n(t₂)=U₂. Здесь Е_сср – среднее за время Δt⁺ значение напряжения сигнала. В результате переключения триггера коммутатор подключит вход интегратора к источнику постоянного тока –I₀[4].

Рисунок 5.2

Напряжение на выходе интегратора U_n(t)=U₂+(t-t₂)I₀/C в момент t=t₃ достигнет напряжения первого порога срабатывания триггера U₁. Длительность интервала Δt =t₃-t₂=(U₁-U₂)C/I₀. Следовательно, период повторения импульсов T= Δt⁺+Δt , а соответствующая ему частота

ƒ= Е_ссрI₀/[C(U₁-U₂)(RI₀+E_ccp)] (5.2)

Зависимость ƒ(Е_сср) является нелинейной, но при RI₀>> Е_сср эта нелинейность может быть сделана достаточно малой. Относительная погрешность преобразования, связанная с отмеченной нелинейностью,

δ =(К -К )/К =Е_сср/(RI₀), (5.3)

где К =Δƒ/ΔЕ_сср и К - дифференциальные коэффициенты передачи преобразователя, описываемые соответственно уравнением (5.2), и уравнением (5.3) при выполнении условия RI₀>> Е_сср.

В работе исследуется простейший ПНЧ (рис.5.3), в котором входное постоянное напряжение Е_с от интегратора не отключается. коммутатор выполнен на диоде Д, а источник тока I₀ реализован путем последовательного включения резистора R₅ с источником напряжения (им является выходное напряжение ОУ2). Диод пропускает ток I₀ только отрицательной полярности, поэтому при отрицательном выходном напряжении не инвертирующего триггера U имеем

I₀=U /(R₅-R_Д), N_Д=U_Д/I₀, (5.4)

где R_Д, U_Д – соответственно сопротивление и падение напряжения на открытом диоде.

Рисунок 5.3

Конечное быстродействие триггера вносит дополнительную погрешность в преобразование. Ее оценивают по скорости нарастания выходного напряжения ОУ

δ ≈δ *2I₀/(cv). (5.5)

Изменение напряжений питания ОУ2 вызывает отклонение от номинальных значений напряжений срабатывания триггера и тока I₀, сопровождающихся в соответствии с (5.2) изменением выходной частоты преобразователя.