Глава 3

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

В этой главе представлены схемы, используемые в измерительной аппаратуре, телеметрических системах, генераторах импульсов, системах автоматического управления и регулирования и т. д. Эти схемы выполняют различные преобразования: напряжения и температуры в частоту, напряжения в ток, частоты в напряжение и др. Проведенный анализ позволит разработчикам аппаратуры легко видоизменять предложенные схемы для получения требуемых параметров.

3.1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ

В последнее время широкое распространение получили преобразователи напряжения в частоту на ОУ. Такие преобразователи характеризуются точностью, высокой линейностью, хорошей температурной стабильностью параметров и низкой стоимостью. Одно из главных применений преобразователей напряжения в частоту основано на способности этих преобразователей осуществлять согласование между аналоговыми и цифровыми схемами. Преобразователи напряжения в частоту также могут быть использованы для дистанционного контроля параметров аналоговых схем, измерения отношений сигналов, интегрирования и т. д. Такие схемы являются основой различных систем управления, генераторов пилообразных импульсов, модуляторов.

3.1.1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Простейшая схема преобразователя напряжения в частоту (рис. 3.1) содержит управляемый напряжением генератор тока (ГТ), обеспечивающий линейный процесс заряда конденсатора С до порогового напряжения, которое определяется опорным напряжением Uou [55]. Когда напряжение на конденсаторе достигает этого значения, компаратор изменяет свое состояние и запускает схему формирования выходных импульсов с одним устойчивым состоя-

пор I

I 1

Фов и-рова-тель

нием (одновибратор), которая вырабатывает один импульс фиксиро- ванной длительности. Одновремен- -h но на выходе компаратора формируется управляющий импульс, замыкающий контакты переключателя 5, через который происходит раз- ,

о Рис. 3.1. Схема простейшего пре-

ряд конденсатора с. затем весь образователя напряжения в час-цикл снова повторяется. Если гене- тоту

ратор тока спроектирован таким образом, что его выходной ток i прямо пропорционален входному напряжению Ubx, то схема представляет собой обычный преобразователь напряжения в частоту.

Для напряжения на конденсаторе в любой момент времени t (когда переключатель разомкнут) справедливо следующее выражение: Uc = itlC. Время, в течение которого напряжение Uc достигнет порогового значения Uon, равно 1= UonCli= UonC/kUBx, где k - коэффициент пропорциональности между входным напряжени-ем и выходным током ГТ. Зная т, легко определить зависимость выходной частоты преобразователя от входного напряжения:

f = l/xkU,J{UouC). (3.1)

Необходимо заметить, что в действительности время разряда конденсатора С имеет отличное от нуля постоянное для каждой схемы значение /р. Это приводит к появлению ошибки при определении частоты f из выражения (3.1), причем эта ошибка особенно значительна на высоких частотах. Действительно, с учетом времени р выражение для определения частоты может быть представлено в виде

i 1 .

т + р т UonC l+tpi/UonC

.Можно показать, что при использовании транзисторного ключа для разряда конденсатора емкостью 100 пФ ошибка на частоте /=20 МГц, вносимая временем разряда, - около 10%. Дальше будут указаны способы ее компенсации при построении преобразователей напряжения в частоту по описанному методу.

Другой метод преобразования напряжения реализован в схеме а рис. 3.2,а [56]. В ней использованы интегратор на ОУ и переключающий биполярный транзистор, включенный параллельно интегрирующему конденсатору. Схема работает с входным напряжением отрицательной полярности и интегрирует его в положительном направлении до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет порогового значения. В этот момент срабатывает компаратор, который возвращает интегратор в исходное нулевое состояние с помощью транзисторного переключающего каскада, работающего в режиме насыщения.

Форма напряжения в различных точках схемы показана на рис. 3.2,6,0. Выходной сигнал интегратора в виде напряжения пилообразной формы (рис. 3.2,6) поступает на вход компаратора и преобразуется в последовательность узких импульсов (рис. 3.2,8), длительность которых зависит от времени восстановления используемого ОУ и в приведенной схеме равна 0,5 мкс. В течение этого -времени конденсатор С полностью разряжается через транзистор VT. Частота следования выходных импульсов обратно пропорциональна наклону пилообразного напряжения интегратора и линейно изменяется с изменением входного сигнала (рис. 3.2,г).

Для определения частоты выходных импульсов схемы в зависимости от амплитуды напряжения на входе справедливо следующее 116

выражение: /= (l/4/?C) [/вх = 50 [/вх, где С - интегрирующий конденсатор; Rl-сопротивление резистора на инвертирующем входе усилителя; f/вх--в вольтах; / - в герцах.

Верхний предел изменения амплитуды входного напряжения равен 15 В, при этом значении Ux максимальная частота выход-

tf xi

-СЗ-

Ш Ш SO0 f,rn

Рис. 3.2. Преобразователь на интеграторе (а), форма напряжения в различных точках схемы (б, в) и зависимость частоты выходных колебаний от амплитуды (ВХОДНОГО сигнала (г)

ных импульсов достигает 750 Гц, а точность преобразования - не хуже ±0,5%. Можно несколько расширить диапазон рабочих частот преобразователя уменьшением номинала конденсатора С, однако это приведет к ухудшению линейности передаточной характеристики.

Для получения высокой линейности изменения частоты выходного сигнала преобразователя от входного напряжения наиболее предпочтительным является применение метода компенсации заря-да интегрирующего конденсатора, который реализован в схеме !рис. 3.3,а [55]. Напряжение или ток подаются на вход операцион-1ного интегратора. Входной сигнал интегратора поступает на прецизионный генератор, импульсы которого управляют ГТ. Эти импульсы тока подаются в точку суммирования входного сигнала и сигнала ОС интегратора с противоположным входному току знаком. Частота повторения импульсов устанавливается такой, чтобы