Обзор преобразователей напряжение-частота. Выбор функциональных схем компонентов структурной схемы. Подбор элементов управляемого источника тока, интегратора и выбор компаратора. Результаты моделирования схемы с помощью схемотехнической САПР Micro-Cap.
Аннотация к работе
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» КУРСОВАЯ РАБОТА по курсуПреобразователи напряжение-частота (Voltage-to-Frequency Converters VFC, ПНЧ) являются наиболее дешевым средством преобразования сигналов для многоканальных систем ввода аналоговой информации в ЭВМ, обеспечивающим высокую помехозащищенность и простоту гальванической развязки. ПНЧ относятся к классу интегрирующих преобразователей, поэтому они обладают соответствующими достоинствами: хорошей точностью при минимальном числе необходимых прецизионных компонентов, низкой стоимостью, высокой помехоустойчивостью, малой чувствительностью к изменениям питающего напряжения. Таким образом, по существу, ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. ПНЧ преобразует входное напряжение в частоту выходных импульсов, которые могут передаваться на большие расстояния без искажения информационного параметра - частоты. Второй этап аналого-цифрового преобразования: «частота - код» осуществляется путем подсчета импульсов за фиксированный интервал времени, то есть усреднением.ПНЧ включает в себя усилитель А1, компаратор А2, одновибратор, источник стабильного тока I0, аналоговый ключ S и выходной транзистор. Для построения ПНЧ микросхему следует дополнить двумя конденсаторами С1, С2 и двумя резисторами R1, R2. Конденсатор С2 задает длительность импульса одновибратора t = KC2, где k определяется характеристиками микросхемы (в VFC32 I0 = 1 МА, k = 75 КОМ). Стабильность характеристики преобразования ПНЧ зависит от стабильности внешних элементов R1, C2 и внутренних параметров k, I0 микросхемы. Кроме того, для обеспечения высокой линейности преобразования конденсатор С1 необходимо выбирать с малой утечкой и малым коэффициентом диэлектрической абсорбции (полипропиленовый, полистирольный, поликарбонатный).Данный способ реализации преобразователя можно выделить в отдельную группу, исходя их того, что один из основных узлов схемы (одновибратор) выполнен на дискретных компонентах. Операционный усилитель в данной схеме выполняет функцию компаратора, который сравнивает входной сигнал с напряжением UB на конденсаторе С. Если Uвх > UB, то компаратор запускает одновибратор, который выдает прямоугольный импульс определенной длительности. Когда напряжение UB станет меньше входного, компаратор опять запускает одновибратор и на выход поступает импульс.Выделяя данный способ реализации ПНЧ в отдельную группу, можно руководствоваться следующими причинами: · Только один из структурных узлов схемы (мультивибратор) реализован на ИМС, остальные узлы схемы - это самостоятельные электронные компоненты · Схема мультивибратора на основе таймера 555 стала классической для реализации подобного рода устройств, а ее применение на низких частотах генерируемого сигнала позволяет получить хорошую точность преобразования В зависимости от решаемых задач, они делают упор либо на точность преобразования, либо на стоимость реализации устройства и использования тех или иных дополнительных компонентов и т.д. Один из вариантов такой схемы представлен на рис. Диапазон входного управляющего напряжения в диапазоне от 0 до-10V соответствует изменению выходной частоты в диапазоне от 0 до 1000Hz.Структурная схема изображена на рис. Под действием положительного входного сигнала UBX напряжение UИ на выходе интегратора уменьшается. Когда напряжение UИ уменьшится до нуля, компаратор (DA2) переключается, запуская тем самым одновибратор. Ключ замыкается и ток ІОП в течение ТИ поступает на вход интегратора, вызывая увеличение выходного напряжения интегратора. Импульсы тока ІОП уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением UBX.Таймер содержит два компаратора (DA1 - компаратор верхнего уровня и DA2 - компаратор нижнего уровня) с фиксированными при помощи делителя напряжения на резисторах R1, R2, R3 порогами срабатывания. Поскольку выполняется условие R1=R2=R3, то пороги срабатывания компараторов верхнего UПОР В и нижнего UПОР Н уровней определяются выражениями UПОР В =2UП/3, UПОР Н =UП/3. Выходы компараторов управляют состоянием асинхронного RS-триггера (DD1), который, в свою очередь, формирует управляющие напряжения на входе двухтактного усилителя мощности на транзисторах VT1 и VT2. Сигнал с инверсного выхода триггера используется для управления разрядным транзистором VTЗ. Зависимость выходного сигнала таймера от комбинации его входных сигналов поясняется в таблице 3.1.В этой схеме операционный усилитель DA1 включен по схеме повторителя напряжения. Напряжение с выхода повторителя поступает к источнику тока на транзисторе VT4 и является для него напряжением питания, которое определяет форму выходного тока. Стабилитрон в этой схеме задает напряжение на базе транзистора VT4.В общем виде функциональная схема разработанного устройства представлена на рисунке 3.5.Конденсатор С3 - фильтрующий. Таблица 4.1В качестве операционного усилителя DA4 выберем микросхему К1407УД1, параметры которой приведены в таблице 4.2. Выберем стабилитрон VD1.
2. Выбор структурной схемы устройства. Принцип работы схемы
2.1 Временные диаграммы работы ПНЧ
3. Выбор функциональной схемы устройства
3.1 Выбор функциональных схем компонентов структурной схемы
3.1.1 Выбор функциональной схемы одновибратора
3.1.2 Выбор функциональной схемы управляемого источника тока
3.2 Функциональная схема устройства
4. Выбор принципиальной электрической схемы ПНЧ. Расчет основных функциональных узлов устройств
4.1 Подбор элементов одновибратора
4.2 Подбор элементов управляемого источника тока
4.3 Подбор элементов интегратора и выбор компаратора
5. Принципиальная схема ПНЧ в САПР Micro-Cap
6. Расчет погрешностей. Результаты моделирования схемы с помощью схемотехнической САПР Micro-Cap
Заключение
Список используемой литературы
Приложения
Приложение А Схема электрическая принципиальная
Приложение Б Перечень элементов напряжение частота интегратор компаратор
Введение
Преобразователи напряжение-частота (Voltage-to-Frequency Converters VFC, ПНЧ) являются наиболее дешевым средством преобразования сигналов для многоканальных систем ввода аналоговой информации в ЭВМ, обеспечивающим высокую помехозащищенность и простоту гальванической развязки. ПНЧ - отличное решение для задач измерения усредненных параметров, расхода, а также задач генерирования и модуляции частоты.
ПНЧ относятся к классу интегрирующих преобразователей, поэтому они обладают соответствующими достоинствами: хорошей точностью при минимальном числе необходимых прецизионных компонентов, низкой стоимостью, высокой помехоустойчивостью, малой чувствительностью к изменениям питающего напряжения.
Таким образом, по существу, ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. Для его преобразования в двоичный позиционный можно использовать счетчик.
ПНЧ преобразует входное напряжение в частоту выходных импульсов, которые могут передаваться на большие расстояния без искажения информационного параметра - частоты. Второй этап аналого-цифрового преобразования: «частота - код» осуществляется путем подсчета импульсов за фиксированный интервал времени, то есть усреднением. Если этот интервал сделать кратным периоду основной помехи (20 мс), то помеха подавляется полностью. Это свойство особенно полезно для измерения зашумленных низкоуровневых сигналов, например ЭДС термопары.
В интегральных микросхемах ПНЧ используется метод интегрирования входного сигнала с импульсной компенсацией заряда интегрирующего конденсатора. Лучшей точностью и стабильностью обладают синхронизируемые ПНЧ, в которых длительность импульса обратной связи стабилизирует кварцевый резонатор .
Преобразователи напряжение-частота лежат в основе многих цифровых приборов, таких частотомеры, вольтметры и т.д. Действительно, после преобразования напряжения в частоту следования импульсов, нужно сосчитать количество этих импульсов в единицу времени и, умножив на коэффициент преобразования, вывести результат на индикаторы.
1. Обзор преобразователей напряжение - частота
В ходе анализа учебной и научной литературы по теме «Преобразователь напряжение - частота» были отмечены основные способы построения данного типа схем, выявлены некоторые их достоинства и недостатки. Резюмируя полученную информацию, можно отметить следующие способы реализации данного устройства: