Анализ и исследование схем преобразователей напряжение-частота
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
пока не достигнет значения U1R1/R2. В этот момент компаратор переключается в другое состояние, при котором напряжение на его выходе равно максимальному отрицательному значению U2, диод VD открывается и выходное напряжение интегратора быстро нарастает до U2R1/R2. При этом компаратор возвращается в первоначальное состояние и цикл повторяется.
Так как время нарастания выходного напряжения интегратора значительно меньше времени спада, которое обратно пропорционально амплитуде входного сигнала, частота циклов повторения f будет прямо пропорциональна входному напряжению. Пренебрегая собственным временем переключения компаратора, можно записать следующее выражение для определения частоты выходных импульсов (UВХ-в вольтах, f-в герцах):
(1.2)
Рис. 1.4. Практическая реализация схемы на рис. 1.1 (а) и форма напряжения на выходах ОУ (б)
На самом деле размах напряжения на выходе А1будет несколько больше величины (R1/R2) (U1-U2) из-за отличного от нуля значения времени переключения компаратора, а частота соответственно меньше значения, определяемого выражением (1.2), причем это расхождение будет особенно значительным при больших амплитудах входного сигнала.
На рис. 1.4,б показаны типовые формы напряжения на выходах ОУ для большого входного сигнала. Как видно, в этом случае конечные значения времени нарастания выходного напряжения интегратора и времени переключения компаратора внесут существенный вклад в нелинейность зависимости частоты генерируемых импульсов от входного напряжения. При малых UВХ передаточная характеристика схемы будет также нелинейной из-за наличия дрейфа напряжения смещения интегратора. Поэтому для расширения нижнего предела изменения входного напряжения необходимо включить внешний потенциометр для компенсации этого дрейфа на выходе интегратора. С указанными на рис. 1.4,а номиналами элементов схема обеспечивает линейность преобразования не хуже 1 % в диапазоне изменения входных напряжений 20 мВ-10 В. При этом частота выходных импульсов изменяется от 20 Гц до 10 кГц.
Более сложная схема преобразователя на основе интегратора, компаратора и переключателя приведена на рис. 1.5 . Интегратор и компаратор собраны на ОУ типа 140УД1, а переключатель - на транзисторе КТ315.
Рис. 1.5. Преобразователь напряжения в частоту с коэффициентом преобразования 100 Гц/В.
Применение усилителя 140УД1 для построения интегратора объясняется тем, что он имеет высокую скорость нарастания выходного напряжения, необходимую для быстрого восстановления напряжения на выходе интегратора, до величины ?UВЫХ после достижения этим напряжением порогового значения, определяемого потенциалом на неинвертирующем входе компаратора. Для качественной работы преобразователя в широком диапазоне изменения входных напряжений на входе интегратора включена пара согласованных биполярных транзисторов. При этом увеличивается коэффициент усиления ОУ (до 30-50 тыс.) и уменьшаются входные токи (до 0,5 мкА). Напряжение смещения нуля входных транзисторов устраняется внешней балансировкой с помощью подстроечного резистора R6.
Поскольку коэффициент усиления составного усилителя значительно возрастает по сравнению с коэффициентом усиления ОУ 140УД1, в схему введены две цепи частотной компенсации: R7C1 и R8C3. Интегрирующим конденсатором является С4. Диоды VD1 и VD2 включены в схему для защиты компаратора от перегрузок по входу.
Второй ОУ используется в режиме компаратора напряжения. Пороговое напряжение-4В обеспечивается подключением к неинвертирующему входу А2 резистивного делителя R10, R11 и источника питания 6 В. Когда выходное напряжение интегратора достигает порогового значения, включается компаратор и открывается транзисторный ключ VT3, замыкающий цепь положительной ОС компаратора. Эмиттерный ток насыщенного транзистора VT3, приблизительно равный 11 мА, поступает в суммирующую точку компаратора, поддерживая тем самым напряжение на неинвертирующем входе на уровне потенциала земли. При этом напряжение на выходе интегратора начинает быстро убывать (по модулю). Когда потенциал на инвертирующем входе компаратора достигает нуля, компаратор переключается и закрывает транзисторный ключ VT3. Затем цикл повторяется.
Резистор R12 включен в схему для ограничения базового тока транзистора VT3; конденсаторы С5 и С6 ускоряют процесс включения - выключения этого транзистора.
Время t1, в течение которого напряжение на выходе интегратора изменяется от 0 до -4 В, определяется постоянной времени R1C4 и приращением амплитуды входного напряжения ?UВХ:
t1=RlC4?UВЫХ/?UBX. (1.3)
Время сброса интегратора
t2 = C4(?UВЫХ/IК) = R11С4(?UВЫХ/UП -) (1.4)
где ?UВЫХ -максимальный размах напряжения на выходе интегратора; IК - коллекторный ток открытого транзистора VT3; UП - -напряжение питания. Для ?UВЫХ справедливо следующее выражение:
?UВЫХ = R10UП- /(R10+R11) (1.5)
С помощью выражений (1.3) - (1.5) легко определить период генерируемых импульсов:
T = R10C4UП-/(R10+R11)(R1/?UВХ + R11/UП-) .
Так как в данном случае справедливо неравенство R1/?UВХ >> R11/UП- , выражение для определения частоты выходных импульсов можно п