Недорогой ПНЧ с хорошей линейностью и широким динамическим диапазоном

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2011

Предлагается недорогая схема преобразователя напряжение-частота (ПНЧ) с хорошими характеристиками. Все компоненты для схемы вы можете за несколько долларов купить в ближайшем магазине электроники.

Рисунок 1.	Из трех недорогих микросхем и нескольких пассивных компонентов можно собрать ПНЧ с хорошей линейностью, скоростью и динамическим диапазоном.

Схема имеет большое входное сопротивление, работает от однополярного источника питания и может непосредственно подключаться к микроконтроллерам. Нелинейность ПНЧ не превышает 0.1%, вплоть до частоты 700 кГц, а динамический диапазон равен 60 дБ. Схема состоит из интегратора, компаратора и ждущего мультивибратора (Рисунок 1). Выходная частота пропорциональна входному напряжению:

,

где

V_CC – напряжение питания, равное 5 В,
t_OS – длительность импульса мультивибратора, определяемая выражением t_OS=0.7×R_OS×C_OS.

Напряжение питания V_CC должно быть отфильтрованным и хорошо стабилизированным, так как при изменении V_CC наклон характеристики преобразования также изменяется. Элементы интегратора C_INT и R_INT в выражение для t_OS не входят, поэтому они не должны быть ни стабильными, ни прецизионными. Однако, и это очень важно, конденсатор C_INT должен иметь небольшой коэффициент диэлектрической абсорбции.

 

Рисунок 2.	Поскольку амплитуда импульса превышает входное напряжение, ток, протекающий через CINT, меняет направление, и конденсатор частично разряжается.

Для того чтобы ПНЧ гарантированно начинал генерировать импульсы при любом входном напряжении, сделана схема запуска, состоящая из времязадающей цепи R₁, C₁, R₂ и интегрального ключа S₁. После включения питания ключ остается открытым в течение приблизительно 1 с, давая возможность конденсатору C_INT полностью разрядиться. После открывания ключа S₁ конденсатор C_INT начинает заряжаться фиксированным током, величина которого прямо пропорциональна входному напряжению. В результате на выходе интегратора образуется нарастающее пилообразное напряжение. В момент, когда это напряжение достигает порогового уровня триггера Шмитта на входе 1B микросхемы IC₂, последняя генерирует одиночный импульс. Поскольку амплитуда импульса превышает входное напряжение, ток, протекающий через C_INT, меняет направление, и конденсатор частично разряжается (Рисунок 2).

После окончания импульса выходное напряжение интегратора вновь начинает линейно нарастать, и цикл повторяется. Благодаря триггеру Шмитта, встроенному на вход микросхемы ждущего мультивибратора IC₂, отпадает необходимость в отдельном компараторе. Для многих приложений какая-либо дополнительная настройка ПНЧ не требуется. Масштаб преобразования, можно менять, руководствуясь Таблицей 1, с помощью подстроечного резистора, составляющего часть R_OS.

 

Таблица 1. Характеристики ПНЧ для различных диапазонов выходных частот

Максимальная частота Длительность tOS ROS CINT Ошибка линейности (кГц) (мкс) (кОм) (пФ) (% от полной шкалы) 50 8 57.2 400 ±0.044 100 4 28.6 200 ±0.056 200 2 14.2 100 ±0.021 400 1 7.15 50 ±0.031 600 0.67 4.77 33 ±0.066 800 0.5 3.58 25 ±0.11 1000 0.4 2.86 20 ±0.42

Варьируя значения C_INT и R_OS, можно управлять диапазоном выходных частот ПНЧ. От диапазона существенным образом зависит линейность схемы. В таблице приведены значения ошибки линейности в процентах от полной шкалы, определявшейся по результатам измерений одиннадцати равноотстоящих значений входного напряжения в диапазоне от 2 мВ до 2 В.

Ссылки

1. Williams, Jim, «0.02% V/F converter consumes only 26 μA,» EDN, July 4, 1996.
2. Williams, Jim, «1-Hz to 100-MHz VFC features 160-dB dynamic range,» EDN, Sept 1, 2005, pg 82.
3. «LM231A/LM231/LM331A/LM331 precision voltage-to-frequency converters,» National Semiconductor, April 2006.
4. Pease, Robert A, «Wide-Range Current-to-Frequency converters,» AN-240, National Semiconductor, May 1980.
5. Pease, Robert A, «New Phase- Locked-Loops Have Advantages as Frequency-to-Voltage Converters (and more),» AN-210, National Semiconductor, April 1979.