«Факты – упрямая вещь» (Джон Адамс и др.)
Я добавил два 50-омных выхода к опубликованной ранее [1] схеме моего преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ), получив схему, показанную на Рисунке 1. Затем я спроектировал печатную плату, приобрел (в основном) компоненты для поверхностного монтажа, установил их на плату и запаял оплавлением припоя, после чего протестировал конструкцию.
 |
|
| Рисунок 1. | Конструкция ПНЧ, работающего в диапазоне частот от 100 кГц до более 100 МГц от одного источника питания 5 В, которая выдает прямоугольные выходные импульсы с частотами, равными ½ и ¼ частоты основного генератора. |
Аппаратная реализация схемы показана на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Аппаратная реализация 100-мегагерцового ПНЧ была создана с целью выявления фактов, которые невозможно получить с помощью модели. |
Моей целью было получить информацию о работе схемы.
Теория и моделирование важны, но факты становятся известны только после того, как схема собрана и протестирована. Именно тогда становятся очевидными непреднамеренные/ неожиданные последствия.
В целом схема работала так, как и ожидалось, но для ее корректной работы необходимо было устранить ряд существенных проблем.
Чувствительность преобразования напряжения в частоту
Первое, что вызвало мою озабоченность, – высокая чувствительность схемы к малейшим изменениям входного напряжения. Чувствительность составляет 100 МГц на 5 вольт, то есть 20 МГц на вольт. Это означает, что изменение входного напряжения на 1 мВ приводит к изменению выходной частоты на 20 кГц!
Как же тогда обеспечить входное напряжение, практически полностью свободное от шума и/или пульсаций, которые могут вызвать дрожание сигнала генератора? Чтобы решить эту проблему, я использовал батарейный источник питания: четыре соединенные последовательно щелочные батарейки, с подключенным к ним 10-оборотным 100-килоомным потенциометром, чтобы подавать на вход схемы напряжение от 0 до 6 В. Это сработало довольно хорошо.
Для защиты от повышенного напряжения последовательно с неинвертирующим входом усилителя U1 я добавил резистор 10 кОм.
Проблемы и их решения
Первой неожиданной проблемой стало то, что таймер NE555 не обеспечивал достаточного тока для управления схемами инвертора и удвоителя напряжения. Это на моей совести; я невнимательно изучил техническое описание, в котором указано, что, хотя он и может отдавать большой выходной ток, при большом токе выходное напряжение падает настолько сильно, что схемы инвертора и удвоителя не обеспечивают достаточных выходных напряжений. А модель LTspice, которую я использовал для моделирования, оказалась совершенно нереалистичной. Я не рекомендую ее использовать!
Я справился с этим, заменив таймер NE555 на микросхему триггера Шмитта 74HC14. Выходного тока и напряжения 74HC14 достаточно для управления двумя схемами. Схему на 74HC14 я реализовал как внешний модуль, соединяемый с основной платой.
Я изменил выходное напряжение схемы удвоителя напряжения на стабилизированные 6 В (R16 заменил на 274 Ом, R18 – на 3.74 кОм, а D8 и D9 заменил на SD103). Это позволяет усилителю U1 работать с входными напряжениями примерно до 5.9 В. Кроме того, усилители U1/U2 я заменил на сдвоенный операционный усилитель TLV9162, поскольку стоимость TLV9162 значительно ниже, чем у LT1797.
Подав правильные напряжения на U1/U2, я начал тестировать схему и обнаружил, что генератор зависает на частоте около 2 МГц. Причина была в параллельно соединенных инверторах с триггерами Шмитта. Один инвертор переключался раньше другого, что приводило к большому потреблению тока из инвертора, на выходе которого установился высокий уровень, и генератор переставал работать. Параллельное включение инверторов, управляемых относительно медленно спадающим (или нарастающим) входным сигналом, – определенно, нежизнеспособная идея!
Чтобы устранить проблему, я удалил из схемы инвертор U4 и подключил резистор 22 Ом последовательно с выходом инвертора U3, чтобы уменьшить токовую нагрузку на него, и генератор заработал, как и ожидалось.
Я внес некоторые изменения в схему преобразователя тока в напряжение, чтобы расширить диапазон регулировки и использовать номиналы компонентов, оптимальные для 5-вольтового питания. Я изменил сопротивление резистора R8 на 3.09 кОм, потенциометра R9 – на 1 кОм и резистора R13 – на 2.5 кОм.
Регулировки
В схеме предусмотрены две регулировки: R9 – регулировка преобразователя тока в напряжение на усилителе U2, а R11 – регулировка тока смещения.
Я подстроил R9, чтобы установить частоту генератора 100 МГц при входном напряжении 5.00 В, а затем регулировал R11 при установке частоты 2 МГц.
Процентная погрешность схемы увеличивается на низких частотах; возможно, из-за токов утечки диодов или нелинейного поведения преобразователя частоты в напряжение, состоящего из D2–D4 и C8–C11.
Результаты теста
Внеся указанные изменения, я приступил к тестированию ПНЧ. Проблема джиттера выходного сигнала была очевидной, особенно на низких частотах.
Я понял, что пульсации и помехи в источнике 5 В могут вызвать дрожание выходного сигнала. Как отмечено на схеме, частота генератора FOSC зависит от напряжения питания.
Чтобы избежать этой проблемы, я снова решил использовать для питания батарейки. Я использовал шесть щелочных батареек для получения напряжения порядка +9 В и стабилизировал напряжение до +5 В с помощью регулятора LM317T и нескольких других компонентов.
Такая конфигурация обеспечивает минимальные пульсации и помехи по питанию, а также минимальный джиттер генератора. Остальными возможными источниками шума/джиттера являются импульсные источники питания усилителя U1, напряжение обратной связи усилителя U1, а также переключения счетчиков и инверторов, которые могут создавать помехи на шине +5 В.
 |
|
| Рисунок 3. | Зависимость частоты в диапазоне от 1.07 МГц до 103.0 МГц от входного напряжения в диапазоне от 50 мВ до 5.00 В. |
 |
|
| Рисунок 4. | Зависимость частоты (до 2 МГц) от входного напряжения VIN при VIN ≤ 0.1 В. |
График зависимости частоты от входного напряжения не такой линейный, как ожидалось, но он довольно хорош в широком диапазоне входных напряжений от 50 мВ до 5.00 В для соответствующего диапазона частот от 1.07 МГц до 103.0 МГц (Рисунки 3 и 4). Зависимость процентной погрешности от частоты показана на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | Зависимость процентной ошибки от частоты. |
Осциллограммы
На Рисунках 6, 7, 8 и 9 показаны некоторые осциллограммы. Большинство из них получены на выходе делителя на 2, поскольку это визуально интереснее, чем выходные импульсы генератора длительностью 3.4 нс. (Чтобы получить частоту генератора, умножьте на 2 выходную частоту делителя на 2).
 |
|
| Рисунок 6. | Осциллограмма сигнала на выходе делителя на два при частоте 100 кГц. |
 |
|
| Рисунок 7. | Осциллограмма сигнала на выходе делителя на два при частоте 500 кГц. |
 |
|
| Рисунок 8. | Осциллограмма сигнала на выходе делителя на два при частоте 5 МГц. |
 |
|
| Рисунок 9. | Осциллограмма сигнала на выходе делителя на два при частоте 50 МГц. |
Входное напряжение изменяется в диапазоне от 10 мВ до 5 В: при этом частота выходного сигнала генератора/ инвертора изменяется от 200 кГц до 100 МГц.
 |
|
| Рисунок 10. | Осциллограмма сигнала на выходе генератора при частоте 100 МГц. |
На Рисунке 10 показан выходной сигнал генератора/инвертора на частоте 100 МГц. На Рисунке 11 показан выходной импульс генератора/инвертора длительностью 3.4 нс.
 |
|
| Рисунок 11. | Осциллограмма импульсов генератора длительностью 3.4 нс. |
Факты
Итак, вот факты.
Два инвертора, включенных параллельно, в этом приложении не работали. Проблема была устранена путем исключения одного из них и подключения последовательно с выходом оставшегося инвертора резистора увеличенного номинала для снижения токовой нагрузки на него.
Высокая чувствительность схемы к входному напряжению создает практические проблемы. Получение достаточно тихого входного напряжения представляет собой сложную задачу.
Отчасти помогает работа от батареи, но на практике это создает свои сложности. Сопутствующей проблемой являются помехи в источнике питания 5 В. Питание для второй схемы делителя на два на триггере U7 должно быть строго стабилизировано и максимально свободно от шумов и пульсаций, чтобы минимизировать джиттер сигнала генератора.
И, как было отмечено выше, для достижения приемлемой работы потребовались некоторые изменения номиналов нескольких компонентов.
Наконец, для более точного преобразования напряжения в частоту на более низких частотах, если это необходимо, потребуется более тщательное проектирование. Я оставляю решение этого вопроса на усмотрение пользователя.
На данный момент я удовлетворен схемой в ее нынешнем виде (чувствую, что пора сделать перерыв).
Некоторые предложения по улучшению результатов
Схема усложняется из-за необходимости обеспечения ее работы от одного источника питания 5 В. Было бы проще использовать отдельные, хорошо стабилизированные и отфильтрованные источники питания для усилителей U1/U2, например, 14 В, стабилизированные до 11 В для положительного напряжения, и –5 В, стабилизированные до –2.5 В для отрицательного. (Для обоих источников питания используйте линейные стабилизаторы)!
Тогда входное напряжение сможет изменяться от 0 до 10 В, что в два раза снизит чувствительность входа и упростит проектирование более тихих источников питания для входного усилителя и цепей преобразования тока в напряжение на усилителях U1/U2.
На более низких частотах необходимо провести исследование, чтобы выявить причины нелинейности в этом диапазоне частот и обозначить изменения, которые могли бы улучшить работу схемы.
Другим вариантом было бы разделить рабочую область на два диапазона, например, от 100 кГц до 1 МГц и от 1 МГц до 100 МГц.
Заключительный факт
После всех сделанных модификаций работа схемы впечатляет. Я считаю, что создание генератора с выходной частотой от 200 кГц до 113 МГц – это замечательный результат. Спасибо покойному Джиму Уильямсу [2] и жизнерадостному Стивену Вудворду [3] за то, что они помогли реализовать эту схему!
Ссылки
- Jim McLucas. Смоделированный 100-мегагерцовый ПНЧ
- Jim Williams. Преобразователь напряжение-частота с динамическим диапазоном 160 дБ и максимальной частотой 100 МГц
- Stephen Woodward. 100-мегагерцовый ПНЧ с зарядовым насосом TBH
Купить CD74HC14 на РадиоЛоцман.Цены
