5. Исследование преобразователя «напряжение – частота»

5.1 Общие сведения

Метод преобразования «Напряжение – частота» (U/f) находит широкое применение в схемотехнике измерения амплитуд аналоговых сигналов, в том числе являющихся отображением физических параметров (температуры, давления и т.д.) с представлением результата измерений в цифровом формате, например посредством цифровых десятичных индикаторов и является, по существу, вариантом метода аналого-цифрового преобразования. Основным параметром преобразователя U/f является зависимость частоты f или периода следования Т выходного сигнала от входного U_ВХ напряжения, допустимый диапазон изменений U_ВХ , его полярность, диапазон изменений выходной частоты, а также параметры выходного сигнала: его амплитуда, длительность импульса и т.д.

Обычно при построении измерительных схем производят счет периодов следования выходного сигнала преобразователя U/f в некотором временном интервале Т_ИЗМ с последующим выводом результата счета (в двоично-десятичном коде) на цифровую индикацию. Так как , n – число периодов выходного сигнала преобразователя U/f , «считаемого» посредством счетчиков, задание Т_ИЗМ позволяет осуществлять индикацию входного напряжения в различных величинах, единицах напряжения, давления, высоты и т.д. Естественно, что при измерениях физического параметра необходимо преобразовать его значение Р в напряжение U(P) подаваемое на вход преобразователя U/f , что достигается посредством схемы содержащей датчик измеряемой величины и усилительно-преобразовательную схему.

На рис.5.1 представлена функциональная схема измерителя физического параметра Р ,

Рис.5.1

где – D – параметрический датчик, сопротивление которого R зависит от значения Р, т.е. R(Р);

– значком ► обозначена усилительно-преобразовательная схема, формирующая выходное напряжение U(P);

– U/f – преобразователь «напряжение-частота», частота f(Р) и период Т(P) следования выходных импульсов которого определяются значением U(P);

– Ф – формирователь временного интервала Т_ИЗМ (например, аналоговый таймер);

– СТ10 – счетная схема, состоящая из двочно-десятичных счетчиков (С – счетный вход, СЕ – вход разрешения счета), формирующая код В(Р);

– DC и HG – схема декодирования и цифровой индикации результата измерений параметра Р.

Представим, что Р – атмосферное давление, которое должно быть представлено в мм ртутного столба. В качестве датчика D использован кремниевый датчик давления, сопротивление которого зависит от Р. Предположим, что при Р = 760 мм посредством усилительно преобразовательной схемы сформировано U(P) = 3,8 B. Алгоритм преобразования U/f таков, что при данном значении U(P)

Гц, а с (см. п.п. 4.2)

Тогда для получения на индикаторах (3 десятичных разряда) значения 760 необходимо задать

,

т.е. осуществить счет периодов выходного сигнала преобразователя в интервале равном 200 мс.

Если необходимо обеспечить индикацию Р в других единицах, например в миллибарах, то с учетом того, что Р = 700 мм рт.ст. = 1013 м бар следует :

– увеличить Т_ИЗМ сделав его равным ;

– увеличить разрядность схемы счета и индикации до 4 десятичных разрядов.

Аналогичным способом, зная зависимость давления Р от высоты полета Н (в конкретной местности) можно обеспечить индикацию значения Н в выбранных единицах измерения.

2. Описание лабораторного макета

Упрощенная схема лабораторного макета представлена на рис.5.2.а. Здесь на 0У DA.1 выполнен инвертирующий интегратор, постоянная времени интегрирования .

Рис.5.2.а

Транзистор VT1, включенный параллельно емкости С1 выполняет функцию ключа. На 0У DA.2 выполнен компаратор, предназначенный для сравнения выходного напряжения интегратора и опорного напряжения снимаемого с резистора R4, включенного в цепь параметрического стабилизатора на стабилитроне VD1 и резисторе R8. Транзистор VT2 используется как инвертор в цепи положительной обратной связи DA.2.

Временная диаграмма работы схемы предоставлена на рис.5.2.б. В исходном состоянии (t=0) С1 разряжен и , т.е. потенциал неинвертирующего входа DA.2 равен нулю, а на инвертирующий вход подано положительное , в связи с чем выходной сигнал компаратора , и транзисторы VT1, 2 оказываются запертыми.

Рис.5.2.б

Запертое состояние транзистора VT1 разрешает заряд емкости С1 током , причем

.

Так как , то , т.е.

при постоянном значении U_ВХ положительное выходное напряжение интегратора изменяется по линейному закону (интервал времени 0…t₁ рис. 5.2.б). При достижении значения (момент времени t₁) состояние компаратора изменяется, т.е. становится равным + U_ПИТ . Этим уровнем открывается и VT1 и в течение короткого промежутка времени t₁…t₂ С1 разряжается и схема возвращается в исходное состояние. Далее (в интервалах времени t₂…t₃ и t₃…t₄ ) процесс повторяется. Таким образом на выходе интегратора формируется пилообразное, а на выходе компаратора импульсное напряжение, период следования которых Т определяется:

– постоянной времени интегратора ;

– величиной ,

и при заданных значениях и величиной U_ВХ, т.е. скоростью нарастания .

Таким образом, схема выполняет преобразование напряжения в частоту (f=1/T) , т.е. U→f .

Ввиду практической значимости метода U→f выпускается довольно широкая номенклатура интегральных микросхем преобразователей «напряжение-частота». Примером может служить микросхема К 1108 ПП1, схема включения которой показана на рис. 5.3.

В стандартном включении при R1 = 34 кОм, R2 = 560 Ом, С1 = 10 нФ и С2 = 36 нФ положительное преобразуется в частоту , т.е. крутизна характеристики преобразования составляет 1 кГц/B при нелинейности не более 10^-8 . Выходной сигнал представляет собой последовательность калиброванных по длительности положительных импульсов, амплитуда которых ~ +U_ПИТ .

5.3 Порядок выполнения лабораторной работы

Схема исследования включает в себя :

– лабораторный макет,

– источники питания стенда 0…15 В и 0…50 В,

– милливольтметр В7-26,

– осциллограф TDS 1002.

1. Подключить к клеммам «+ изм –» макета милливольтметр, установив режим измерения «+U» и его предел в положение 10 В, пользуясь соответствующими переключателями на его лицевой панели. Подключить осциллограф к выходу А2 макета и установить режим измерений кнопкой AUTO SET на его лицевой панели.

2. Подключить к клеммам «± 9 В» макета выход источника питания стенда «± 15 В» и задать величину подводимого напряжения равной 9 В.

3. Подключить к клеммам «± 15 В» макета выход источника питания «± 50 В» стенда и задать величину подводимого напряжения равной 15 В.

ВНИМАНИЕ! Перед выполнением п.п. 2,3 вывести ручки регулировки источников питания стенда в крайнее левое положение, а при их подключении к макету строго соблюдать полярность подводимых напряжений.

4. Установить ручку потенциометра R8 в крайнее правое положение, переключатель S1 в нижнее положение (резистор R1 закорочен), а S2 в положение «комп».

5. Подключить осциллограф к выходу компаратора А2 и вращая ручку R2 из крайнего левого положения определить по экрану осциллографа момент перехода (срабатывание компаратора и одного устойчивого состояния в другое) и зафиксировать значение U_КОМП по шкале вольтметра.

6. Перевести S2 в положение «ПНЧ» и установить ручкой регулировки R2 значение U_ВХ = 1 (по вольтметру В7-26).

7. Пользуясь ручками регулировки чувствительности (VOLTS/DIV), положение изображения (POSITION) и скорости развертки (SEC/DIV) осциллографа установить на его экране осциллограмму сигнала с выхода А2 компаратора (примерно соответствующую рис. , б) и записать значения частоты (f) и периода следования (Т) выходных импульсов. Зарисовать полученную осциллограмму.

8. Подключить осциллограф к выходу А1 (выход интегратора) макета и далее к выходу А3 макета (выход триггера Шмитта) и зарисовать полученные осциллограммы.

9. Задавая последовательно (посредством регулировки R2) U_ВХ в пределах 1…3 В (с шагом 0,5 В) определить по экрану осциллографа значения Т и f выходного сигнала (с выхода А1 или А2 макета).

10. Повторить измерения по п.п. 4, 5, 6, 7, 9 для среднего и крайнего левого положений ручки регулировки R8 .

11. Результаты измерений порогов срабатывания компаратора, значений частоты и периода выходного сигнала свести в табл.1.

Таблица 1

U	U		U		U
	T	f	T	f	T	f
1 . . . . . 3

12. При оформлении отчета по лабораторной работе необходимо построить графические зависимости периода и частоты выходного сигнала от приложенного входного напряжения при и произвести оценку линейности преобразования напряжения в частоту (по данным табл.1) и построенным графикам.

13. При подготовке к защите отчета по лабораторной работе следует изучить:

– схему и работу инвертирующего интегратора на 0У и генератора пилообразного напряжения на его основе (при условии постоянства амплитуды интегрируемого входного сигнала);

– принцип работы аналогового компаратора на 0У при сравнении входного сигнала изменяющейся амплитуды с сигналом постоянной амплитуды, подводимых к входам компаратора при одинаковой (например, положительной) полярности сравниваемых сигналов.