Преобразуване на напрежение в честота с оптрон

Съществува една голяма група аналогово-цифрови преобразуватели, които извършват междинно преобразуване на входната аналогова величина в друга и след това измерват междинната величина. Най-често се среща междинно преобразуване в честота. Макар че съществуват много начини за преобразуване на напрежение в честота, най-голямо разпространение е получил начинът с уравновесяване на заряд.

За да се схване по-ясно същността и приложимостта на АЦП с междинно преобразуване на напрежение в честота, е разгледана структурата и принципа на работа на конкретен преобразувател на напрежение в честота (voltage-tofrequency converter) с уравновесяване на заряда, реализиран с ИС ADVFC32 (от Analog Dev.). Основната схема на свързване с ADVFC32 и време диаграмите илюстриращи преобразуването са показани, съответно на

фиг. 1а и фиг. 1б^.         _C2

                                                а)                                                                                            б)

Фиг. 1. Преобразувател на напрежение в честота: a) - принципна схема с ADVFC32; б) – времедиаграми на процеса на примерно преобразуване.

В началото на процеса на измерване през резистора R_in протича ток I_in пропорционален на постъпилото входно напрежение U_in. Ако изходът на компаратора е в единица, се пуска моновибратор, изработващ импулс с калибрирана продължителност t_os = (C₁ + 44pF).6,7kΩ (в ИС ADVFC32 продължителността на импулса t_os може да се задава чрез капацитета C₁). Сигналът от моновибратора затваря ключа K , свързващ източник на ток I =1mA към инвертиращия вход на интегратора за времето на импулса t_os . При това се “внася” заряд в кондензатора C₂:

Q_вн. = (1mA − Iin)tos .

Изходното напрежение на интегратора (извод 13) нараства по линеен закон до момента t₂, когато настъпва края на импулса от моновибратора. След края на импулса ключа K се отваря, тогава интегриращият кондензатор започва да се разрежда от входното напрежение и изходът на интегратора тръгва към нулата. Когато тя се достигне (в момента t₃ ), моновибраторът се запуска отново. Входното напрежение е “изнесло” заряд:

Qизн. = Iin(Тout −tos).

Приравнявайки внесения с изнесения заряд, т.е. Q_вн. = Q_изн., се получава

(4а) (1mA− Iin)t_os = Iin(Т_out −tos) , тогава за изходната честота се намира

(4б) fout =Тout1 = 1mAIin×tos = 1UmAin /×Rtinos .

Тъй като R_in, t_os и тока от опорния източник са константи, изходната честота f_out е пропорционална на входното напрежение U_in. На фиг. 1б са дадени напрежението в изхода на интегратора, напрежението от моновибратора и напрежението върху кондензатора C₁. Необходимо е да се отбележи, че продължителността на импулсите в изходния сигнал остава постоянна, а напрежението U_in изменя честотата на повторението им. В предавателното уравнение не присъства капацитетът C₂ – той е предназначен само да интегрира зарядния и разрядния ток, но неговата стойност трябва да се подбира такава, че за целия диапазон на U_in интеграторът да не влиза в насищане. 

Например за C₁ = 330pF , C₂ =1nF и R_in = 40kΩ

при изменение на напрежението от 0V до 10V

изходната честота f_out се променя от 0 приблизително до 100kHz .

Получената от преобразуването честота може да се преобразува в двоично число чрез използването на цифров честотомер. Този начин на аналогово-цифрово преобразуване се прилага предимно в случаите, когато е необходимо галванично разделяне на аналоговите от цифровите вериги.

Получената честота лесно се прехвърля между двете изолирани части най-често чрез оптрон или високочестотен трансформатор.

Фиг. 2. Входен и изходен сигнал на честотен манипулатор, реализиран въз основа на схемата от фиг. 1.

Освен за реализация на аналогово-цифрови преобразуватели монолитните преобразуватели на напрежение в честота се използват и като честотни манипулатори или FSK (frequency shift keying) модулатори. За целта към входа на схемата от фиг. 1 вместо постоянно напрежение се подава правоъгълен сигнал. При това на изхода за ниските нива на входния сигнал (например логическа “0”) се получава периодичен сигнал с правоъгълна форма и ниска честотата. При високите нива на входния сигнал (например логическа “1”) се получава периодичен сигнал с висока честота. Важно е да се отбележи, че продължителността на импулсите t_os е една и съща, както за нискочестотния така и за високочестотния сигнал. На фиг. 2 са дадени примерни време диаграми на входен и изходен сигнал за схемата от фиг. 1 при C₁ = 330pF , C₂ =1nF и R_in = 40kΩ. Входният сигнал е с правоъгълна форма и коефициент на запълване 0,5. Ниските нива на входния сигнал са със стойности 2V , а високите нива са със стойности 7V . При това на изхода (извод 7 на ADVFC32) се получава честотно манипулиран сигнал, като за входно напрежение 2V честотата на изходния сигнал е приблизително 20kHz (фиг. 3а), а за напрежение 7V честотата е приблизително равна на 70kHz (фиг. 3б).

а)                                                                            б)

Фиг. 3. Времедиаграми на входен и изходен сигнал: a) – с фиксиран период 50µs за нискочестотния сигнал; б) – с фиксиран период 14,3µs за високочестотния сигнал.

     Фиг. 4. Входен и изходен сигнал на амплитуден манипулатор, реализиран въз основа на схемата от фиг. 1.

При условие, че към входа на схемата от фиг. 1 се подаде правоъгълен сигнал с нива на напрежението 0V и 5V на изхода се получава амплитудно манипулиран сигнал. На фиг. 4 са дадени примерни време диаграми на входен и изходен амплитудно манипулиран сигнал за схемата от фиг. 1 при C₁ = 330pF , C₂ =1nF и R_in = 40kΩ. За нулеви нива на входния сигнал на изхода на схемата няма генерации. При нива 5V на входния сигнал на изхода се получава периодичен правоъгълен сигнал с честота приблизително равна на 50kHz .

В таблицата са дадени някои основни каталожни данни на интегрални преобразуватели на напрежение в честота.

Таблица Преобразуватели на напрежение в честота. 

Тип ИС	Производител	Обхват на входното напрежение	Честотна лента
AD537 ADVFC32 AD650 AD7741 VFC320 VFC110 LM331 NE566	Analog D. Analog D. Analog D. Analog D. Texas I.	± 11 V + 10 V + 11 V + 2,5 V + 10 V + 10 V + 10 V   + 5 V	. . .     150 kHz . . .     500 kHz . . .   1000 kHz . . .   3072 kHz . . .   1000 kHz . . .   4000 kHz . . .     100 kHz . . .   1000 kHz