Анализ и исследование схем преобразователей напряжение-частота
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
напряжения управляющей схемы высокий, оба коммутатора включены и конденсатор заряжается до опорного напряжения UОП. Поскольку инвертирующий вход ОУ находится под потенциалом "кажущейся" земли, ток, протекающий через резистор R2, iR2= UОПR2 .
Сопротивление R1 выбирается таким образом, чтобы ток iR2 был меньше суммы токов через терморезистор RT и резистор R1, т. е.
UОП/R2<iRT + iR1. При этом диод VD2 смещен в прямом направлении и напряжение на выходе компаратора находится у верхней границы. Это выходное напряжение усилителя сохраняется до тех пор, пока не изменится состояние схемы управления. Время t1, в течение которого уровень выходного напряжения управляющей схемы остается высоким, определяется постоянной времени этой схемы. В конце интервала t1 коммутаторы открываются и конденсатор С начинает разряжаться через резистор R2. Диод VD2 смещается в обратном направлении, а открывающийся диод VD1 производит сброс выходного напряжения компаратора дону-ля. После того как ток разряда конденсатора С уменьшится до iRT , откроется диод VD1 и цикл повторится.
Выражение для определения частоты выходных импульсов преобразователя может быть представлено в виде f=T/B?, где Т-измеряемая температура; В-постоянная, зависящая от материала терморезистора; ?= =R2C. Следует отметить, что это выражение справедливо до тех пор, пока частота выходных импульсов меньше величины 1/t1.
Таким образом, регулировка рассмотренной схемы заключается лишь в том, чтобы правильно выбрать импульсную схему управления транзисторными ключами VT1 и VT5 (см. рис. 1.11) в зависимости от верхнего предела измеряемой температуры. Диапазон измеряемых температур может быть практически любым и определяться типом используемого температурного преобразователя [5].
В настоящее время используется серийно-выпускаемая ИМС ПНЧ-ПЧН К1108ПП1 (рис. 1.13). Выходные импульсы данной ИМС имеют прямоугольную форму с калиброванной длительностью частотой до 500 кГц.
Рис. 1.13. АЦП К1108ПП1 и основная схема включения
АЦП такого типа удобен и недорог, особенно в тех случаях, когда приходится передавать сигнал по кабелю, что требует частотный, а не кодовый выход [8].
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЕ-ЧАСТОТА
.1 Выбор и описание функциональной схемы
Для моделирования ПНЧ рассмотрим его в составе частотно-импульсного модулятора (ЧИМ), формирующего на нагрузке Rн=100 Ом импульсы напряжения амплитудой Uн=10 В. tи=10 мкс=const. При изменении входного напряжения от -5 до 5 В, частота выходных импульсов напряжения f=1/T изменяется от 5кГц до 50кГц. При выходе входного сигнала за пределы указанного диапазона частота остается на уровне граничных значений, т.е. существует двустороннее ограничение 5 кГцf 50 кГц.
Для моделирования проектируемого устройства выберем следующую функциональную схему, представленную на рисунке 2.1
Рис. 2.1. Функциональная схема ЧИМ.
ПНЧ состоит из интегратора (И), компаратора (К) и ключа (S). Интегратор и компаратор реализованы на операционных усилителях, что позволяет получить высокую линейность преобразования f=F(Uупр).
В исходном состоянии пороговое напряжение на входе компаратора Uпор=Uпор1. При подаче напряжения Uупр конденсатор C заряжается до порогового напряжения Uпор1. Когда напряжение на конденсаторе достигает этого значения компаратор переключится и замкнет ключ S, через который происходит разряд конденсатора, при этом на входе компаратора Uпор=Uпор2. При разряде конденсатора С до Uпор2 компаратор вернется в исходное состояние, ключ S разомкнется, начнется заряд конденсатора. Весь цикл повторяется. На выходе компаратора формируются импульсы частотой, соответствующей входному напряжению, и длительностью tи=1/2T.
Рис. 2.2. Структурная схема преобразователя напряжение-частота
.2 Выбор принципиальной схемы преобразователя напряжение-частота
Анализ простейших преобразователей напряжения в частоту показывает, что при построении схем с высокой линейностью передаточной характеристики необходимо руководствоваться следующими основными положениями:
используемый в режиме интегратора ОУ должен иметь большой коэффициент усиления при разомкнутой петле ОС и высокое входное сопротивление;
верхнее и нижнее значения порогового напряжения компаратора должны оставаться неизменными в процессе работы схемы, для чего следует применять высоко-стабилизированный источник отрицательного напряжения питания и ОУ с низким входным напряжением смещения и малым дрейфом;
скорость нарастания выходного напряжения интегратора должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить быстрое время разряда интегрирующего конденсатора. Следует отметить, что выполнение последней рекомендации наиболее важно, поскольку время сброса вносит максимальный вклад в точность преобразователя.
Ниже приведена схема преобразователя напряжения в частоту с высокой линейностью. Особенность этой схемы, изображенной на рис. 2.3, заключается в том, что времена заряда и разряда интегрирующего конденсатора С1 в схеме равны; это обеспечивает симметричность выходных импульсов и позволяет в определенных пределах скомпенсировать время включения транзистора VT1, коллекторный ток которого разряжает этот конденсатор .
Рис. 2.3. С?/p>