Известный разработчик аналоговых устройств и автор Джим Уильямс в 1986 году опубликовал потрясающую конструкцию 100-мегагерцового преобразователя напряжения в частоту [1]. Он назвал это карабкающимся наверх (представьте его на крыше Эмпайр-стейт-билдинг, сбивающим в воздухе бипланы) Кинг-Конгом! В 2005 году он выпустил описание значительно обновленного преемника Конга – «Преобразователь напряжение-частота с динамическим диапазоном 160 дБ и максимальной частотой 100 МГц» [2].
Я был очарован обеими этими впечатляющими конструкциями, потому что они были намного быстрее, чем любой другой ПНЧ, который я когда-либо видел! Прошло еще два десятилетия, прежде чем я решил попробовать создать свой собственный ПНЧ с разрешением 9 десятичных разрядов.
Вот результат (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | В этом простом ПНЧ некоторые заимствованные у Уильямса новаторские идеи, касающиеся быстродействия, объединены с несколькими моими собственными трюками, чтобы достичь полной шкалы частот 100 МГц. |
Элементы Q1, D1 и триггер Шмитта U1 образуют неточный, но добротный и быстрый ПНЧ, точность которого затем повышается цепью обратной связи, состоящей из предварительного делителя U3, зарядового насоса TBH на диодах D1-D4 [3] и интегратора A1. Предварительный аккумулятор U2 без потери разрешения обеспечивает сопряжение 100-мегагерцовых импульсов с умеренно быстрым (порядка 6.25 МГц) периферийным счетчиком-таймером микроконтроллера.
Основу схемы на Рисунке 1 составляет очень простой генератор линейно спадающих импульсов на элементах Q1, U1 и D5. Коллекторный ток транзистора Q1 разряжает несколько пикофарад собственной паразитной емкости своего коллектора, подключенного к входу триггера Шмитта на элементах U1 и D5 в месте их соединения (пожалуйста, сделайте эти соединения как можно более короткими и прямыми!). Задержка распространения в U1, составляющая менее пяти наносекунд, позволяет генератору работать от полной остановки (возможной из-за утечки через R4) до частот более 100 МГц.
В течение каждого цикла, когда транзистор Q1 понижает напряжение на выводе 2 микросхемы U1 до порога переключения, U1 через диод Шоттки D5 отвечает импульсом обратной связи длительностью порядка 5 нс, сбрасывающим пилообразное напряжение. Это вновь устанавливает на выводе 2 напряжение выше положительного порога переключения и запускает следующий цикл колебаний. Поскольку скорость спада (более или менее) пропорциональна базовому току транзистора Q1, который приблизительно пропорционален выходному напряжению интегратора A1, частота колебаний также пропорциональна этому току. Предостережение заключается в том, что это «приблизительно».
Обратная связь через зарядовый насос TBH, суммирование с входным напряжением на резисторе R1 на неинвертирующем входе интегратора A1, подача этой суммы на транзистор Q1 и далее на вывод 2 микросхемы U1 превращают «приблизительно» в «точно». Одним из элементов, позволяющих этому ПНЧ работать в частотной области Конга, но с гораздо более скромным количеством деталей, является самокомпенсирующийся диодный зарядовый насос TBH, описанный в более ранней статье «Прецизионный диодный зарядовый насос» [3].
А что же делает микросхема U3?
Самокомпенсация насоса TBH позволяет ему точно распределять заряд на частоте 25 МГц или около того, но 100 МГц – это уже слишком много. Проблему решает двухразрядный предварительный делитель U3. U3 также предоставляет возможность (обратите внимание на перемычку J1) заменить высококачественное опорное напряжение 5.000 В на, вероятно, менее точное напряжение обычной шины питания 5 В.
На Рисунке 2 показан 250-килогерцовый диодный зарядовый насос, повышающий напряжение 5-вольтовой шины до 8 В, которые затем понижаются до точного опорного значения 5.000 В с помощью микросхемы U4. Ток, потребляемый триггером U3, включая ток, отдаваемый насосу, составляет около 23 мА на частоте 100 МГц; источник опорного напряжения U4 не рассчитан на такую большую нагрузку, поэтому на помощь приходит дополнительный резистор R6.
 |
|
| Рисунок 2. | 250-килогерцовый диодный зарядовый насос повышает напряжение шины до 8 В, которые затем понижаются до точного опорного значения 5.000 В с помощью микросхемы U4. |
Предварительный делитель на 16 с аккумулятором U2 позволяет использовать встроенные счетчики-таймеры микроконтроллера с частотой до 6.25 МГц для получения выходного сигнала ПНЧ с полным разрешением 100 МГц. Эта идея описана в более ранней статье «Предварительный делитель/аккумулятор обрабатывает выходные сигналы ПНЧ, которые слишком быстры для таймера микроконтроллера» [4].
Ссылки
- Jim Williams. Ultra-High Speed 1 Hz to 100 MHz V-F Converter
- Jim Williams. Преобразователь напряжение-частота с динамическим диапазоном 160 дБ и максимальной частотой 100 МГц
- Stephen Woodward. Прецизионный диодный зарядовый насос
- Stephen Woodward. Предварительный делитель/аккумулятор обрабатывает выходные сигналы ПНЧ, которые слишком быстры для таймера микроконтроллера
Купить CD74AC14 на РадиоЛоцман.Цены
