Ни один из существующих в настоящее время преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) не может работать с биполярными (переменными) входными сигналами. Эта функция желательна для мониторинга линий электропитания и других приложений. Схема на Рисунке 1 преобразует входные напряжения ±10 В в выходную частоту от 0 кГц до 10 кГц. Линейность этой схемы составляет 0.04%, а температурный коэффициент – около 50 ppm/°C.
 |
|
| Рисунок 1. | Преобразователь напряжение-частота с биполярным входом. |
Чтобы понять работу схемы, предположим, что на вход подаются биполярные прямоугольные импульсы (Рисунок 2, осциллограмма A). Во время положительной фазы входного сигнала, выходное напряжение усилителя A1 (осциллограмма B) становится отрицательным, позволяя проходить току в конденсатор C1 через двухполупериодный выпрямительный мост. Выходной ток усилителя A1 линейно заряжает конденсатор C1. Входы инструментального усилителя A2, работающего с коэффициентом усиления 10, дифференциально подключены к конденсатору C1. Выходное напряжение A2 (осциллограмма C) подается на инвертирующий вход усилителя A3. Когда выходное напряжение усилителя A2 пересекает уровень нуля, срабатывает компаратор A3 (осциллограмма D). Положительная обратная связь по переменному току, подаваемая на неинвертирующий вход A3 (осциллограмма E), «притормаживает» выходной сигнал A3 примерно на 20 пс. Привязанный к земле выходной сигнал цепи сдвига уровня на транзисторе Q1 управляет инверторами I1 и I2, вырабатывая двухфазные импульсы (осциллограммы G и H) для переключения каналов аналогового коммутатора LTC201. При каждом переключении инверторов зарядовый насос на микросхеме LTC201 подключает конденсатор C2 к C1, уменьшая напряжение на C1. Напряжение опорного источника LT1004 и значение емкости конденсатора C2 определяют, сколько заряда забирается из C1 в каждом цикле работы зарядового насоса. Таким образом, каждый раз, когда напряжение на выходе усилителя A2 пытается пересечь уровень нуля, конденсатор C2 подключается параллельно конденсатору C1, сбрасывая напряжение на нем до небольшого отрицательного значения и заставляя усилитель A1 начать его подзарядку. Частота этого процесса прямо пропорциональна результирующему входному току усилителя A1. В течение времени, когда напряжение на конденсаторе C1 спадает к нулю, коммутатор LTC201 подключает C2 к LT1004, подготавливая C1 к следующему циклу разряда. Это происходит так же и для отрицательных входных импульсов (см. Рисунок 2), за исключением того, что полярность выходного напряжения усилителя A1 меняется на противоположную. Усилитель A2, дифференциально подключенный к диодному мосту усилителя A1, видит тот же сигнал, что и при положительных входных напряжениях, и реакция схемы идентична. Усилитель A4, определяя полярность выходного напряжения A1, формирует выходной бит знака (осциллограмма F).
 |
|
| Рисунок 2. | Сигналы преобразователя напряжение-частота с биполярным входом. |
На Рисунке 3 показаны выходные сигналы усилителей A1 и A2 в увеличенном по вертикали масштабе. Осциллограмма A изображает входной сигнал, а осциллограммы В и С – выходные сигналы усилителей A1 и A2, соответственно. На выходе A1 четко видны комплементарные точки смещения и пилообразные напряжения, в то время как реакция A2 на обе фазы входного сигнала одинакова. Уровни смещения выходного сигнала усилителя A1 определяются падением напряжения на двух проводящих диодах моста. Когда входное напряжение меняет полярность, усилитель A1 реагирует немедленно, и конечное значение частоты колебаний устанавливается за 1-2 цикла.
 |
|
| Рисунок 3. | Сигналы интегратора и дифференциального усилителя в увеличенном масштабе. |
Во время запуска схемы или при перегрузке по входу может произойти защелкивание этого контура. Пусковой механизм, заимствованный из схемы запуска развертки осциллографа, исключает защелкивание. Если C1 заряжается до того момента, когда C2 сможет сбросить его, замыкание контура прекращается. Выход усилителя A2 уходит в положительное насыщение, в результате чего напряжение на выходе компаратора A3 становится отрицательным. Время такого состояния выхода A3 увеличивается за счет цепочки R1-C3, и напряжение его инвертирующего входа подтягивается к уровню –15 В. Когда напряжение на инвертирующем входе компаратора A3 пересекает ноль, полярность его выходного напряжения изменяется, и R1-C3 заряжается положительным напряжением. Входное напряжение A3 поднимается выше нуля, полярность выхода реверсируется, и начинаются свободные колебания. Как и в обычном режиме, RC-цепочка 100 пФ-33 кОм улучшает характеристики переключения. Выходные импульсы компаратора A3 через инверторы управляют зарядовым насосом на основе микросхемы LTC201. Конденсатор C2 забирает заряд из C1, приближая напряжение на нем к нулю. Усилитель A2 выходит из положительного насыщения и его выходное напряжение становится отрицательным, снимая положительное смещение с входа компаратора A3. Автоколебания A3 прекращаются, и начинается нормальная работа контура регулирования.
Для калибровки этой схемы следует подать на вход напряжение –10 В или +10 В и установить подстроечным резистором 10 кОм выходную частоту ровно 10 кГц. Малые напряжения смещения усилителей A1 и A2 позволяют работать с частотой до нескольких герц без необходимости подстройки нуля.
Купить LT1004 на РадиоЛоцман.Цены
