|
| |
 |
Главная » Мануалы 1 ... 8 9 10 11 12 13 14 ... 43 функционирования данной системы (и, следовательно, частота) пропорционален напряжению Vex. На рис. 2.37,6 приведены форма напряжения в узле В и выходной импульс одновибратора. Необходимо отметить, что длительность выходного импульса одновибратора остается постоянной, а от напряжения i/вх зависит только частота повторения импульсов. Выход источнина тома Ноэдзср. мас-utmaSupo-бания /Гоеич. быссод 1-Ш jho- ибра-тлор  ратор Входное напряжение д \nopoi RC-цепь одновибратора Рис. 2.38. Функциональная схема преобразователя напряжение-4151. -частота типа На рис. 2.38 представлена структурная схема промышлен' ного преобразователя напряжение - частота типа 4151. Коэффициент передачи преобразования определяется в виде /C = 0,486/?s/(/?b/?oCo) кГц/В. (2.42) Отметим, что в уравнение для коэффициента передачи преобразования не входит конденсатор Св: он предназначен для интегрирования выходного сигнала одновибратора, а также служит для предотвращения режима насыщения источника тока, что может произойти при малых его номиналах. Реальное схемное исполнение преобразователя напряжение-частота с динамическим диапазоном входного напряжения от О до 10 В и частотой выходного сигнала от О до 10 кГц изображено на рис. 2.39. Основными преимуществами данной схемы являются низкая стоимость и простота, однако линейность составляет приблизительно 1 %; кроме того, схема имеет большое время срабатывания (приблизительно 135 мс при скачке входного напряжения от О до 10 В). Это в основном связано с пассивной интегрирующей цепью RbCb. Путем введения в схему внешнего операционного усилителя, как показано на рис. 2.40, можно реализовать преобразователь напряжение - частота повышенной точности. Линейность улучшенной схемы составляет приблизительно 0,05 %, а время срабатывания около 10 МКС Такая линейность обеспечивается во всем динамическом диапазоне входного сигнала. Улучшение линейности при использовании ОУ связано с тем, что на выходе источника тока (вывод /) поддерживается нvлeвoe напряжение И, следовательно, устраняется погрешность, обусловливаемая выходной проводимостью источника тока. Для защиты от появления отрицательного напряжения .на выводе 7 используется 12И0М SkO .lH= 5,Ui0m о Вых. частота - -i n r tOOfiOM ® Входное напряжение ShOm Рис. 2.39. Простой преобразователь напряжение - частота, /о = KVi, где К .= 0,486Rsi{RBRoCl) кГц/В. С, 0,005мкФ  Пол но масштабная подстройна i- 5/<0/v IZkDm Peei/лировт спещения \ЮОнОм vi о-rj-t--o1/+ £100 к Ом too Ом 5,1 hOn -{J xR-mi HZ 5,1нОм lOhOn foOjSHOM Рис. 2.40. Прецизионный преобразователь напряжение - частота. ДИОД с малым током утечки, поскольку любой ток утечки в этой точке приводит к снижению точности работы схемы. Подстройка этой схемы осуществляется следующим образом! сначала с помощью регулировки резистора Rs при входном сиг.-- Цифровой индиттпор 7\ Финсатор . . состорния
Рис. 2.41. Структурная схема аналого-цифрового преобразователя. нале -10 В устанавливают частоту выходного сигнала 10 кГц, а затем при напряжении входного сигнала -10 мВ с помошью регулировки смещения устанавливают частоту 10 Гц. ЮОнОм
Полномасштабная лоЭ-стройна J- . кОмкТом S,1hOm  I- Частотомер 1 т Рис. 2.42. Принципиальная схема аналого-цифрового преобразователя. Пример 2.7. Проектирование аналого-цифрового преобразователя. На основе микросхемы типа 4151 требуется спроектировать аналого-цифровой преобразователь для работы с входным сигналом от О до 10 В. Необходимо обеспечить точность преобразования 0,1 %. Решение. Структурная схема аналого-цифрового преобразователя на ос-вове преобразователя напряжение - частота представлена на рис. 2.41. Данный преобразователь напряжение-частота предназначен для преобразования входного напряжения в частоту, которая прямо пропорциональна прикладываемому входному напряжению. Затем эта частота поступает на счетчик, время выборки которого составляет 1 с. Следовательно, осуществляется счет выходной частоты за период 1 с, а затем полученный результат фиксируется на выходе. С целью упрощения проектирования при реальном схемном исполнении, показанном на рис. 2.42, каскад пересчетного устройства заменен на частотомер. Первый ОУ служит для инвертирования входного сигнала (от О до 10 В), а также для его развязки. Такой технический прием, в частности, идеально подходит для реализации передачи аналоговых данных по волоконно-оптическим линиям связи. При таком исполнении частотомер располагается на приемном конце канала связи. Восстановить исходный аналоговый сигнал можно, заменив частотомер на преобразователь частота - напряжение. 2.4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТА - НАПРЯЖЕНИЕ Преобразователь частота - напряжение представляет собой прибор, который преобразует входную частоту в выходной сигнал постоянного тока, пропорциональный принятой частоте. Таким образом, ,ь,х = /вх. (2.43) где К - коэффициент передачи преобразования данного преобразователя частота - напряжение в единицах вольт на герц. Существует несколько технических приемов для осуществления преобразования частота - напряжение. Один из способов основан на использовании фазовой автоподстройки частоты. Другой способ основан на применении преобразователя напряжение-частота типа 4151. На рис. 2.43 изображена структурная схема, пригодная для реализации преобразования частота - напряжение. Принцип функционирования данной схемы можно описать следующим образом: одновибратор запускается по переднему фронту входного сигнала. (Схема работает аналогичной при запуске одновибратора от Рис. 2.43. Структурная схема преоб- Заднего фронта.) На время им-разователя частота - напряжение. пульса одновибратора КЛЮЧ  С 1,0 мнФ П кОм = 5,1 нОм сллш вб/ход,-[Т ходимости) 0,01 мкФ Входная частота Прямоугольное ff нолебание с размахом SB 0,022 мкФ 10 к Ом 5,1 н Ом 6,8 нОм ЮкОм ЮнОм о 0,1миФ Рис. 2.44. Простой преобразователь частота - напряжение. замыкается и заряд поступает в цепь RbCb, что вызывает возрастание напряжения в узле В. После окончания импульса одновибратора начинается уменьшение напряжения в узле В через резистор Rb- Этот разряд продолжается до момента прихода следующего положительного фронта входного сигнала, когда снова осуществляется запуск одновибратора на время 7. При увеличении частоты входного сигнала сокращается время между повторными запусками одновибратора и, таким образом, возрастает напряжение в узле В. Конденсатор Св представляет собой интегратор и, следовательно, служит для фильтрации напряжения в узле В. Для уменьшения пульсаций выходного сигнала можно увеличить номинал конденсатора Св, однако существует компромисс между временем срабатывания и изменениями частоты входного сигнала. Реальное схемное исполнение преобразователя частота - напряжение показано на рис. 2.44. Его передаточная функция имеет вид где К = 2,058RbRoCo/Rs . В/Гц. Как было показано ранее, выходная проводимость источника тока (зажим /) ухудшает линейность схемы. Подобный недостаток можно скомпенсировать путем введения в схему операционного усилителя, как показано на рис. 2.45. Это позволяет улучшить линейность преобразования частота - напряжение приблизительно до 0,05 %. Несмотря на повышение точности преобразования частота - напряжение, существенного улучше-  ЮО Ом .у^егумироВма смещения Off- ЮнГц, прямоугольное 0р22А-Нолебание с раз- oV-isr махом J В  0,1 мкФ Рис. 2.45. Прецизионный преобразователь частота - напряжение. ния времени срабатывания не происходит. Простой способ уменьшения времени срабатывания состоит только в увеличении частоты среза фильтра нижних частот. Однако это будет приводить к возрастанию амплитуды пульсаций выходного сигнала. Например, при Ci = 0,1 мкФ ц. Rb - 100 кОм напряжение пульсаций выходного сигнала будет составлять приблизительно 100 мВ, а время срабатывания - около 10 мс. Для снижения выходных пульсаций можно дополнительно профильтровать выходное напряжение, но при этом еще больше возрастет время срабатывания. 2.4а. Общие указания по применению ИС 4151 ИС типа 4151 можно запрограммировать для работы с полномасштабной частотой в любом месте диапазона частот от 1,0 Гц до 100 кГц. В случае реализации преобразования напряжение - частота и при использовании соответствующего масштабирования можно допустить почти любое полномасштабное входное напряжение от 1 В и выше. При выборе номиналов внешних элементов для получения любой требуемой полномасштабной частоты полезны следующие рекомендации: 1. Выбрать (Rs = 14 кОм или использовать постоянный резистор 12 кОм и потенциометр 5 кОм. 2. Выбрать Т = l,lRoCo - 0,75(1 о), где /о -требуемая полномасштабная частота. Для обеспечения оптимального рабочего режима следует выбирать 6,8 < /?о < 680 кОм и 0,001 < Со < < 1,0 мкФ. 3. а. Для изображенной на рис. 2.39 схемы выбрать Св == - 10-2(l/fo) Ф- Меньшим значениям конденсатора Св будет соответствовать меньшее время срабатывания, но при этом также возрастут сдвиг частоты и нелинейность. б. При использовании активного интегратора выберем С\ = = 5-10-(1 о) Ф- Интегратор на ОУ должен иметь скорость нарастания по крайней мере не ниже 135-10-*(1/Ci) В/с, где номинал конденсатора Су подставляется в фарадах. 4. а. Для изображенной на рис. 2.40 схемы оставить без изменения номиналы резисторов и R, а также для задания требуемого полномасштабного входного напряжения использовать входной аттенюатор. (Для обеспечения минимального смещения Rg = Rb). б. Для более точной разновидности данной схемы установить Rb - V/o/100 мкА, где Vw - полномасштабное входное напряжение. Вместо этого при полномасштабном входном токе Iw ==. = 100 мкА в качестве токового входа можно использовать инвертирующий вход (точка суммирования) операционного усилителя. 5. Для преобразователей частота - напряжение выбрать номинал конденсатора Св или Ci, обеспечивающий оптимальный компромисс между временем срабатывания и величиной выходных пульсаций для каждого конкретного варианта. Пример 2.8. Расчет преобразователя частота - напряжение. Требуется спроектировать преобразователь частота - напряжение, напряжение питания которого равно 8 В, а полномасштабная входная частота сигнала составляет 750 Гц. Выходной сигнал должен достигать 63 % окончательного значения за 200 мс. Определить величину выходных пульсаций. Решение. Используем приведенную на рис. 2.45 обобщенную структуру. Выберем Rs = Ы кОм. Определим постоянную времени одновибратора исходя из правила 2 рекомендаций: Т = l.lRoC = 0,75 (1 о) = I мс. Выберем Ro = 9,1 кОм и Со = 0,1 мкФ. Поскольку схема должна фзнкциони-ровать при напряжении источника питания 8 В, выберем напряжение выходного полномасштабного сигнала равным 5 В. Исходя из общих указаний (п. 46), R = (5В)/(100 мкА) = 50 кОм Выходная постоянная времени Xr 200 мс; следовательно, Св < Xr/Rb =1 .= (200-10~=)/(50-10) = 4 мкФ. Величина пульсаций в наихудшем случае составит V = T [I/C) = (1 мс) (135 мкА)/(4 мкФ) w 34 мВ. 2.5. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ НА ОУ Существует множество схемных функций, которые можно реализовать с помощью операционных усилителей и нескольких внещ-них элементов. Поскольку реализация многих из этих функций производится только в виде гибридных микросхем, а не в полностью интегральном виде, необходимо подробно ознакомиться с принципом их функционирования. Это поможет разработчику грамотно ориентироваться при выборе дискретной или гибридной разновидности схемы, с тем чтобы получить наиболее эффективное решение либо в некоторых случаях остановиться на компромиссном варианте. 2.5а. Прецизионные выпрямители В ряде случаев в аппаратуре требуется обеспечить функционирование диода согласно его идеальной передаточной функции. Следовательно, в зависимости от полярности прикладываемого напряжения он должен представлять собой либо разомкнутую, либо короткозамкну-тую цепь. Это особенно важно При построении презиционных выпрямителей и схем выделения абсолютного значения. При использовании диодов в качестве однополупериодно-го или двухполупериодного выпрямителя получаемый на ьыходе сигнал отличается от идеального значения. Такое отклонение связано с видом диодной характеристики, которая показана на рис. 2.46. Таким образом, при использовании в однополупериодном выпрямителе неидеального диода выходной сигнал смещен на напряжение включения диода.. На рис. 2.47 приведен вид такого выходного сигнала. Влияние зтого остаточного напряжения можно исключить, если исполь-  Рис. 2.46. Диодная характеристика. Идеальная кривая (/); реальная диодная кривая (2). зовать в выпрямителе операционный усилитель. Выполняющая такую функцию схема приведена на рис. 2.48. Схема функционирует следующим образом:  Выход Рис. 2.47. Форма сигналов однополупериодного выпрямителя.  Рис. 2.48. Прецизионный однополупериодный выпрямитель. когда Vbx < О, а Vd, > О, весь входной ток протекает через резистор Rf, поскольку диод D2 смещен в обратном направлении, при этом При Vbx > о и Vd, < О диод D\ выключается и весь входной ток протекает через диод Di, а выходное напряжение при этом фактически равно нулю. Такой прецизионный выпрямитель обладает несколькими преимуществами над схемами со стандартным диодом; например, характеристика в точке выключения становится крутой и полностью определенной, а также нечувствительной к колебаниям температуры. Этот тип выпрямителя позволяет также проводить двухполупериодное выпрямление входных сигналов очень низкого уровня. Пример 2.9. Расчет идеального выпрямителя. Требуется рассчитать схему, выходной сигнал которой представляет собой абсолютное значение входного напряжения; следовательно, Vbhx=1Fbx1. . Решение. Схема выделения абсолютного значения состоит из двух идеальных диодов, включенных как двухполупериодный выпрямитель. Эту функцию можно реализовать с помощью суммирования выходных сигналов двух прецизионных выпрямительных схем (идентичных показанной на рис. 2.48 схеме) при инвертировании одного из входных сигналов. Более реальная структура, состоящая из идеального диода и дифференциальной схемы, приведена на рис. 2,49. При положительном напряжении Fbx диод Di проводит, а диод  Рис. 2.49. Усилитель абсолютного значения сигнала, разомкнут; следовательно, а выходное напряжение равно Если номиналы всех резисторов равны, то ЕЫХ = ЕХ- При отрицательном напряжении Fbx диод проводит, а диод Ci разомкнутг таким образом, -1вх/1= 2+1в/(3 + 4). Если номиналы всех резисторов равны, то -1вх=в + 1в/2=1.5В> 1о.к=-(вх/Ь5) (1+0.5). Следовательно, вых = -*вх- lbbixlBvi. 2.56. Логарифмические преобразователи Среди широкого класса проблем, которые возникают при проектировании аппаратуры, существует задача обработки входных сигналов, изменяющихся в очень широком динамическом диапазоне. Это создает определенные трудности при схемном проектировании, поскольку динамический диапазон схемы зависит от рабочего диапазона каждого элемента схемы, шумовых пара-. 1 ... 8 9 10 11 12 13 14 ... 43 |
||||||||||||||||||||||||||||