Преобразование напряжения в частоту упрощает измерения малых напряжений

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2017

Praveen K

Electronic Design

В некоторых приложениях, таких как измерение pH, основанное на изменениях электромагнитного поля в электрохимической реакции, вариации напряжения очень малы, а диапазон напряжений зависит от концентрации раствора. Измерить такие микровольты можно с помощью схемы, состоящей из прецизионного преобразователя напряжение-частота (ПНЧ) и инструментального усилителя (ИУ). Устройство преобразует напряжение в частоту и может измерять микровольты в различных диапазонах.

Рисунок 1.	Разработчики, которым потребуется измерять микровольты, могут воспользоваться этой сравнительно простой схемой, состоящей из инструментального усилителя и преобразователя напряжение-частота.

Основным элементом схемы является микросхема AD650- прецизионный ПНЧ с очень низкой ошибкой нелинейности, составляющей 0.002% на частоте 10 кГц, 0.005% на частоте 100 кГц и 0.07% на частоте 1 МГц (Рисунок 1). PGA204 - это ИУ, усиление G которого программируется и может быть установлено равным 1, 10, 100 или 1000. PGA204 имеет очень низкое напряжение смещения 50 мкВ и дрейф напряжения смещения 0.25 мкВ/°C. Входное напряжение подается на ИУ PGA204, входное сопротивление которой имеет порядок 10¹⁰ Ом. Выходной ток усилителя равен

Вывод REF инструментального усилителя в этой схеме заземлен (Рисунок 2).

Рисунок 2.	В этой схеме выходное напряжение инструментального усилителя должно находиться в пределах ±5 В, поскольку ПНЧ сконфигурирован для работы с биполярными входными сигналами именно такого диапазона.

ПНЧ рассчитан на питание от источника ±5 В, и при выборе коэффициента усиления необходимо соразмерять это напряжение с диапазоном входных сигналов. Переменный резистор R1 служит для подстройки смещения.

При двуполярном питании AD650 и диапазоне входных напряжений ±5 В максимальная выходная частота устройства равна 100 кГц. Сопротивление подтягивающего резистора R2 выбрано таким, чтобы ограничить ток выходного транзистора на уровне 8 мА. Резистор R_IN устанавливает входной диапазон сигнала, а времязадающий конденсатор C_OS определяет нелинейность схемы. Емкость интегрирующего конденсатора C_INT вычисляется как

При частоте f_MAX, равной 100 кГц, минимальное значение емкости C_INT составляет 1000 пФ.

Температурные коэффициенты компонентов, окружающих AD650, и в первую очередь резисторов R_IN и R3 и конденсатора C_OS, напрямую влияющих на общую термостабильность схемы, должны быть очень низкими. Температурные коэффициенты резисторов R8 (1.24 кОм) и R3 должны быть одинаковыми. Частота F_OUT выходных импульсов ПНЧ линейно зависит от входного напряжения V_{OUT ИУ}:

где

100 кГц - максимальная выходная частота;
10 В - максимальный диапазон входных напряжений;
50 кГц - выходная частота при 0 В на входе.

Таблица 1.	Зависимость коэффициента усиления ИУ от диапазона напряжений и разрешения
Усиление Диапазон входных напряжений (В) Минимальное измеряемое разрешение по напряжению (мкВ) Формула (VREF = 0 В) 1 ±5 100 VIN = (FOUT - 50 кГц) × 10-4 В/Гц 10 ±0.5 10 VIN = (FOUT - 50 кГц) × 10-5 В/Гц 100 ±0.05 1 VIN = (FOUT - 50 кГц) × 10-6 В/Гц 1000 ±0.005 0.1 VIN = (FOUT - 50 кГц) × 10-7 В/Гц

Выбрать усиление ИУ, чтобы задать выходную частоту ПНЧ F_OUT для измерений в том или ином диапазоне, разработчики могут с помощью Таблицы 1. Соответственно этому выбору, также будет изменяться разрешающая способность схемы (минимальное измеряемое напряжение). Вот четыре основных преимущества схемы:

• Обработка облегчается после перевода аналогового напряжения в цифровое представление.
• При работе ПНЧ на частоте 100 кГц разрешение эквивалентно 17-битному АЦП.
• Схема настолько проста, что измерение микровольт можно выполнить с помощью любого частотомера.
• В зависимости от требуемого разрешения, частотный диапазон ПНЧ можно также выбрать равным 10 кГц или 1 МГц.

Материалы по теме