Анализ технического задания

электрический напряжение преобразователь программа 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.

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:

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. 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).

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%.

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. 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. — 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.

ПНЧ на основе ИМС таймера 555 серии Выделяя данный способ реализации ПНЧ в отдельную группу, можно руководствоваться следующими причинами:

ь Только один из структурных узлов схемы (мультивибратор) реализован на ИМС, остальные узлы схемы — это самостоятельные электронные компоненты ь 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 ь 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. 3. 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)ЧC1Ч1/3V_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.