что для достижения такой линейности необходимо, чтобы внутреннее сопротивление источника сигнала оставалось достаточно малым по сравнению с сопротивлениями R1 и R3 во всем диапазоне частот (О-40 кГц). Высокая точность и большой динамический диапазон рабочих частот схемы позволяют выполнять с ее помощью высококачественные аналого-цифровые преобразования и строить на ее основе прецизионные управляемые напряжением генераторы пилообразных колебаний.

Еще одна схема преобразователя напряжения в частоту с линейностью передаточной характеристики лучше ±0,2% при изменении входного сигнала от О до 10 В показана на рис. 3.7,6 [61]. В ней для сброса интегратора применяется обычный четырехслой-ный диод. Схема генерирует как импульсное выхь так и пилообразное Ubux2 напряжения.

При интегрировании входного напряжения операционным усилителем, резистором R1 и конденсатором С1 напряжение на выходе А1 линейно нарастает с наклоном -Uj/Rid. Когда это напряжение превышает напряжение открывания диода f/от, последний переключается в состояние с низким сопротивлением. При этом конденсатор С1 разряжается до тех пор, пока напряжение на нем не уменьшится до напряжения восстановления диода. После этого восстанавливается исходное состояние VD, и цикл возобновляется. В результате переключения диода на его аноде возникает импульсный сигнал, который поступает на выход. Частота выходного пилообразного напряжения приблизительно равна

[/Bx/[i?lC,([/oT-l В)].

При использовании конденсатора емкостью до 1 мкФ линейность характеристики преобразования повышается, однако при этом уменьшается максимальная частота выходного сигнала. Схема нормально работает на частотах до 5 кГц; дальнейшее увеличение частоты ограничено скоростью нарастания выходного напряжения ОУ. Сопротивление резистора R1 выбирается таким, чтобы входной ток усилителя не превышал 10 мкА; в этом случае устраняются ошибки, обусловленные током утечки диода.

3.1.4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ТАЙМЕРАХ

Часто при преобразовании напряжения в частоту требуется больший диапазон изменения частоты выходных импульсов, чем могут обеспечить рассмотренные ранее схемы. Преобразователи с изменением частоты в пределах 2-4 декад реализуют на интегральных таймерах [62, 63].

При соединении таймера по схеме самовозбуждающегося мультивибратора (рис. 3.8,а) можно получить линейный преобразователь напряжения в частоту, изменяющуюся от 10 Гц до 10 кГц, причем этот диапазон может быть легко сдвинут в любую сторону заменой одного нз элементов схемы. Определяемый входным управляющим напряжением U x ток линейно заряжает времязадающий конденсатор С, так что с увеличением Ubx линейно возрастает частота выходных импульсов. В любой момент заряда конденсатора напряжение на нем определяется выражением Uc = Un{3-{-(IIC)t, где / - ток заряда конденсатора.

Заряд продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет величины Lc = 2t/n/3, при этом время заряда = LnC/3/. В этот момент конденсатор быстро разряжается до напряжения t/п/З через сопротивление Як.э открытого транзисторного ключа в таймере А2 типа 1006ВИ1 (вывод 7). Время разряда 4 0,69 Ri.aC.

0,01 0,1 1,0 Uf,x,B

Рис. 3.8. Применение таймера в схеме преобразователя напряжения в частоту (а) и зависимости частоты и ее погрешности от входного напрял{ения (б)

Схема рассчитывается таким образом, чтобы выполнялось условие txU, поэтому период колебаний мультивибратора Г весьма близок к tx, а частота колебаний f=3IIUaC.

Операционный усилитель 140УД7 и транзистор VT3 образуют источник тока, зависящего от управляющего напряжения. В нем /1 £/вх ?э. Для того-чтобы источник входного напряжения lbx можно было заземлять, заряд конденсатора фактически осуществляется током /, поступающим от источников тока (транзисторы VT1, VT2 и VT4), являющихся зеркальным отражением источника тока на транзисторе VT3; при этом /=/i. Транзистор VT4 включен по модифицированной каскадной схеме, благодаря чему источник тока обладает повышенным выходным сопротивлением, так что равенство токов / и /i соблюдается лучше. С учетом этого

f = 3UJ(RCUn). (3.7)

При максимальном входном управляющем сигнале 10 В и номиналах элементов, указанных иа рис. 3.8,а, ток заряда легко можно регулировать от 10 мкА до 1 мА; при этом выходная частота /=106вх, где f -в герцах, Ubx - в вольтах.

На рис. 3.8,6 приведены экспериментальные зависимости частоты и ее погрешности от управляющего напряжения. На верхней границе частотного диапазона (около 10 кГц) начинает сказываться время разряда которое фактически не равно нулю, и частота становится меньше расчетного значения. На. низкой частоте (около 100 Гц) коэффициенты усиления транзисторов падают, а токи смещения компаратора (выводы 2 и 6) снижают коэффициент преобразования напряжения в ток, при этом частота оказывается меньше вычис- ленного по формуле (3.7) значения. Последнее явление можно частично устранить регулировкой напряжения смещения ОУ. Для работы на более высоких

[астотах (до 100 кГц) лучше уменьшать емкость С (до 0,002 мкФ), чем со-(ротивление Rs. В противном случае повысится погрешность не высоких час-готах за счет увеличения отношения ti/ti.

Приведенная на рис. 3.9 схема также построена на таймере, но имеет диа-изон изменения частоты выходных импульсов ог О до 10 кГц [63, 64]. При юдаче отрицательного напряжения от О до 10 В на вход усилите-яя, включенного в режиме интегратора, его выходное напряжение начинает

О...108

а 1000

из 5,1 м

ЛЮОк

5,1 М

R5 г 15к

.155 L8

СЗ ~30

дых1

вых г

Рис. 3.9. Преобразователь на таймере 1006ВИ1 с частотой выходных импульсов от О до 10 кГц

линейно увеличиваться до тех пор, пока не достигнет (2/3) Ln. В этот момент запускается таймер и напряжение на выходных выводах 3 и 7 становится близким к нулю. Включается полевой транзистор VT1, который быстро разряжает интегрирующий конденсатор С1. Так как время разряда постоянно (не зависит от входного напряжения), линейность преобразователя на высокой частоте будет ограничена. Для компенсации влияния времени разряда конденсатора в схеме используется RC-тпъ, состоящая из резистора R5 и конденсатора СЗ, которая обеспечивает зависящую от частоты преобразователя задержку включения таймера по входу 2. Когда напряжение на этом входе становится равным (1/3) Ln, происходит сброс таймера, при котором напряжения на его выходах достигают максимального значения. Транзистор VT1 выключается, и начинается следующий цикл.

Так как время сброса преобразователя около 1 мкс, то в диапазоне О- 10 кГц нелинейность передаточной характеристики не хуже 0,2%. Если пренебречь временем сброса преобразователя, частота выходных импульсов / = ЗС/ /(2С/п7?,С,) = 10зС/вх.

Для достижения хорошей температурной стабильности следует использовать конденсатор С1 полистирольного типа. Регулировка нуля в схеме обеспечивается переменным резистором R3. В наихудшем случае при температуре -Ь20°С напряжение смещения на входе ОУ равно 1,2 мВ, что соответствует смещению частоты выходных импульсов преобразователя на 1,2 Гц.

Введение в схему резистора R7 и источника питания +5 В иа выходе 7 таймера делают ее совместимой по уровням напряжения с цифровыми схемами ТТЛ и ДТЛ. При замене р-канального полевого транзистора п-канальиым схема будет выполнять функцию преобразования напряжения положительной полярности в частоту.