Расчет интегрирующего преобразователя «напряжение – частота» на базе КР1108ПП1

Интегрирующие преобразователи «напряжение — частота»

Преобразователи напряжение — частота с заданной длительностью одного такта позволяют получить относительно высокую точность преобразования при достаточно простой реализации.

Отечественная промышленность выпускает такие ПНЧ типа КР1108ПП1. Упрощенная функциональная схема этого ПНЧ показана на рисунке 1. ПНЧ включает в себя ОУ А1, два компаратора А2, A3, SR-триггер, два источника стабильных токов I1 и I2, два аналоговых переключателя S1 и S2, источник опорного напряжения UR, логическую ячейку И и выходной транзистор T1. Для построения ПНЧ микросхему КР1108ПП1 следует дополнить двумя конденсаторами С1, C2 и двумя резисторами R1, R2. Элементы R1, C1, A1 образуют интегратор. Компараторы А2, A3, триггер, ключ S2, конденсатор С2 и источник тока I2 входят в состав одновибратора.

Работает ПНЧ следующим образом. Под действием положительного входного сигнала UBX напряжение на выходе интегратора (А1) уменьшается. Триггер при этом находится в состоянии «нуль», ключи S1, S2 находятся в состоянии, показанном на схеме 1. Ток I2 нагружает A1, не влияя на его выходное напряжение. Ток I2 через ключ S2 идет на землю. Когда напряжение на выходе А1 уменьшится до нуля, срабатывает компаратор А2 и переводит триггер в единицу, запуская тем самым одновибратор. При этом ключ S2 размыкается и под влиянием тока I2 начинает уменьшаться напряжение на конденсаторе С2. Когда это напряжение достигнет уровня UR, срабатывает компаратор A3 и триггер снова возвращается в состояние «нуль». Пока триггер находился в единице, ток I1 поступал на вход интегратора, вследствие чего напряжение на выходе А1 снова возросло. Далее описанный процесс снова повторяется.

Длительность импульса одновибратора, определяющая длительность такта Т1, в течение которого интегрируется ток I1 можно найти по формуле:

Импульсы тока I1 уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением UBX. Рассматривая процесс уравновешивания на протяжении одного цикла преобразования, получаем:

Отсюда

В соответствии с данной формулой стабильность характеристики преобразования ПНЧ зависит от стабильности внешних элементов R1, C2 и внутренних параметров UR, I2/I1.

Токи I1 и I2 номинально равны: I1 = I2  0,8 мА. Опорное напряжение

(UR = - 7В) изменяется от температуры с коэффициентом, примерно равным 75. 10−6 К-1. Для компенсации погрешности, вызываемой этим изменением, целесообразно выбирать элементы R1, C2 так, чтобы температурный коэффициент произведения R1. C2 был примерно — 75. 10−6 К-1.

Емкость интегрирующего конденсатора С1 в первом приближении не влияет на выходную частоту ПНЧ. Более детальное рассмотрение показывает, что при уменьшении С1 увеличивается размах напряжения на выходе интегратора, а это может привести к увеличению погрешности от нелинейности. Если же уменьшать упомянутый размах, то увеличивается дрожание выходных импульсов ПНЧ из-за низкой чувствительности компаратора А2, в особенности на низких частотах. Рекомендуемый размах составляет примерно 2,5 В.

Скважность импульсов одновибратора (Т / Т1) в рассматриваемом ПНЧ, очевидно, определяется отношением:

Достаточно высокая линейность функции преобразования достигается при Т / Т1  4 в диапазонах 0−10 кГц, 0−100 кГц, а при Т / Т1  2 в диапазоне 0−500 кГц. При этом погрешность линейности не превосходит 0,01% в диапазоне частот 0−10 кГц и 0,2% в диапазоне частот 0−500 кГц.

Если с помощью рассматриваемого ПНЧ требуется преобразовывать отрицательные напряжения, то сигнал Uвх можно подать на Н-вход усилителя А1 (рис. 1), а левый по схеме вывод резистора R1 заземлить. Однако при этом погрешность линейности ПНЧ может возрасти в 1,5−2 раза из-за конечного коэффициента подавления синфазного сигнала в усилителе A1.

Исходя из заданного размаха напряжения на выходе интегратора и скважности импульсов одновибратора, нетрудно найти параметры внешних элементов ПНЧ.

По заданию Uвх = 0 — 10В; fвых = 0 — 20 кГц; Uвых =10 В. Соответственно:

Если принять минимальную скважность импульсов равной 4, то:

Отсюда находим емкость одновибратора:

Средний ток обратной связи равен входному току:

Отсюда находим сопротивление R1:

В соответствии с формулой для размаха напряжения на выходе интегратора: