Преобразователь частоты в напряжение

КР-927-200401 Юшин А.В.

Введение.

В электронных системах одинаково  широко используется обработка информации, представленной в аналоговой и цифровой формах. Объясняется это тем, что первичная, исходная информация о различных физических величинах и процессах носит, как правило, аналоговый характер. Обработку же этой информации в силу причин, рассмотренных во введении, удобнее вести в цифровой форме. Использование полученных после цифровой обработки результатов также в большинстве случаев требует их аналогового представления.    Следовательно,   любая   система,    использующая цифровые методы обработки информации, должна содержать устройства взаимного преобразования аналоговых и цифровых сигналов. Роль таких устройств выполняют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи  (АЦП и ЦАП).

Аналого-цифровой преобразователь — устройство, предназначенное для преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины в эквивалентные ей значения числовых кодов.

Цифро-аналоговый преобразователь — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

В данной курсовой работе разрабатывается  схема преобразователя частоты  в напряжение. При этом на разработку прибора накладывается ряд определенных требований и характеристик, которые  ограничивают выбор элементов схемы, но при этом, можно использовать различные схемы устройства, в  наибольшей степени подходящие для  реализации поставленной задачи.

1. Преобразователи частоты в напряжение.

1.1 Назначение преобразователей частоты в напряжение.

ПЧН преобразуют частоту  входных импульсов в напряжение. Они могут использоваться как  преобразователи напряжения одной  частоты в напряжение другой частоты. Эти устройства широко применяются  в электродвигателях машин. Также, преобразователь частоты применяется в супергетеродинных радиоприёмниках, а также в различных радиоизмерительных приборах — селективных вольтметрах, анализаторах спектра, модулометрах и девиометрах, установках для измерения ослаблений. Его применение в этих случаях позволяет снизить рабочую частоту основного тракта усиления и селекции сигнала (тракта ПЧ), также сделать этот тракт неперестраеваемым, то есть, для настройки радиоприёмника на разные несущие частоты изменяется частота гетеродина преобразователя, несущая частота выходного сигнала, называемая промежуточной частотой (ПЧ), остаётся неизменной. Кроме выработки сигнала ПЧ преобразователь может использоваться и в других случаях, например, ультразвуковых линиях задержки электромагнитного СВЧ - сигнала.[1]

Большинство ПЧН относятся  к классу интегрирующих преобразователей, поэтому обладают соответствующими достоинствами: хорошей точностью  при минимальном числе необходимых  прецизионных компонентов, низкой стоимостью, высокой помехоустойчивостью, малой  чувствительностью к изменениям питающего напряжения, отсутствием  дифференциальной нелинейности.[2]

2. Методы построения и принцип работы ПЧН.

Существует огромное количество методов, на основе которых реализуется  преобразование напряжения в частоту. На рисунке 1 представлена схема преобразователя частота-напряжение на базе КР1108ПП1

Рисунок 1. Преобразователь частота-напряжение на базе КР1108ПП1

Потенциал на выводе 10 равен 2,5 В. На вход подаются ТТЛ сигналы. Преобразователь срабатывает по срезу импульсов. При использовании других логических сигналов необходимо следить за тем, чтобы при передаче среза импульса напряжение на выводе 10 уменьшалось до 0,6 В. В этом режиме работы КР1108ПП1 в выходном сигнале содержатся высокочастотные гармоники, недопустимые во многих случаях. Использование на выходе интегрирующих LС-цепей обычно не дает желаемых результатов и приводит к искажению, выходного напряжения при повышении его частоты. Подключив к выходу преобразователя фильтр, получим подавление высокочастотных гармоник на 40 дБ без искажения выходного сигнала. Степень подавления помех зависит от согласованности параметров цепей на входах ОУ. Для получения максимального подавления введен подстроечный резистор Ri. Ошибки напряжения смещения нуля ОУ устраняются регулировкой сопротивления Rn2.[3]

Рассмотрим подробнее  один из вариантов реализации преобразователя, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2.Преобразователь частоты в напряжение

По переднему фронту входного импульса одновибратор вырабатывает прямоугольный импульс фиксированной длительности, который замыкает ключ, который здесь представлен полевым транзистором. При этом начинается зарядка конденсатора С от генератора постоянного тока. Чем чаще поступают импульсы, тем выше будет потенциал на выходе схемы. Так как между импульсами конденсатор разряжается через резистор, то потенциал на выходе может не только расти, но и падать, следуя за частотой входных импульсов.[1]

3. Разработка функциональной схемы.

 Преобразователь частоты в напряжение должен состоять из нескольких устройств: генератора тока - ГТ, ключа –К (в качестве ключа будем использовать полевой транзистор),   фильтра – Ф (предназначен для селекции нужного набора гармоник, обычно выполнен по стандартной схеме полосового фильтра на LC и RC-элементах) . Учитывая все вышесказанное, составим функциональную схему ПНЧ (рисунок 3).

Рисунок  3. Функциональная схема ПЧН.

1.3.1 Источник импульсов

Для этой схемы входное  напряжение формируется источником импульсов. Источник импульсов может быть построен на различных схемах. Для выполнения этой курсовой работы был выбран ждущий мультивибратор на таймере. Используется наиболее распространенная схема таймера NE555 (аналог КР1006ВИ1).[4]

Рисунок 4. Регулируемый ждущий мультивибратор на таймере NE 555.

Рисунок 5. Принципиальная схема  таймера NE 555

Выводы таймера:

1.Земля.

2. Запуск. При подаче на  этот вход импульса низкого  уровня (не более 1/3 Uпит) таймер запускается и на выходе устанавливается напряжение высокого уровня на время, которое определяется внешним сопротивлением R конденсатором С. Входной импульс может быть как прямоугольным, так и синусоидальным. Ток, потребляемый входом, не превышает 500нА.

3. Выход. 

4. Сброс. При подаче  на этот вывод напряжения низкого  уровня (не более 0,7в) происходит  сброс выхода в состояние низкого  уровня не зависимо от того, в каком режиме находится таймер  на данный момент и чем он  занимается. Поэтому этот вывод  соединяется с плюсом питания,  для избегания сброса.

5. Контроль. На этот вывод  подается опорное напряжение  величиной от 1.7 В до U_пит.

6. Стоп. Этот вывод используется  как антипод вывода 2. То есть  используется для остановки таймера  и приведения выхода в состояние  низкого уровня. При подаче импульса  высокого уровня (не менее 2/3 напряжения  питания), таймер останавливается,  и выход сбрасывается в состояние  низкого уровня. Так же как  и на вывод 2, на этот вывод  можно подавать как прямоугольные  импульсы, так и синусоидальные.

7. Разряд. Этот вывод применяется  как вспомогательный.

8. Питание. На данный  вывод подается напряжение питания.  Стандартные значения U_пит=4.5 – 16 В

Работает такой мультивибратор следующим образом. К соединению резистора и конденсатора подключен  вывод 6 - Стоп. Это вход компаратора  №1. Сюда же подключен вывод 7 - Разряд. Входной импульс подается на вывод 2 - Запуск. Это вход компаратора №2. Для повышения помехоустойчивости можно подключить вывод 5 на общий  провод через конденсатор емкостью 10нФ.  
          Итак, в исходном состоянии, на выходе таймера низкий уровень - около нуля вольт, конденсатор разряжен и не заряжается, поскольку открыт транзистор Т6. Это состояние стабильное, оно может продолжаться неопределенно долгое время. При поступлении на вход импульса низкого уровня, срабатывает компаратор №2 и переключает внутренний триггер таймера. В результате на выходе устанавливается высокий уровень напряжения. Транзистор Т6 закрывается и начинает заряжаться конденсатор С через резистор R. Все то время, пока он заряжается, на выходе таймера сохраняется высокий уровень. Таймер не реагирует ни на какие внешние раздражители. То есть, после срабатывания таймера от первого импульса дальнейшие импульсы не оказывают никакого действия на состояние таймера - это очень важно. Когда конденсатор зарядится до напряжения 2/3Vпит, сработает компаратор №1 и в свою очередь переключит внутренний триггер. В результате на выходе установится низкий уровень напряжения, и схема вернется в свое исходное, стабильное состояние. Транзистор Т6 откроется и разрядит конденсатор С. Теоретически, пределов по длительности импульсов нет - как по минимальной длительности, так и по максимальной. Однако, есть некоторые практические ограничения, которые обойти можно, но сначала стоит задуматься - нужно ли это делать и не проще ли выбрать другое схемное решение.  
          Так, минимальные значения, установленные практическим образом для R составляет 10кОм, а для С - 95пФ. Можно ли меньше? В принципе - да. Но при этом, если еще уменьшить сопротивление резистора - схема начнет потреблять слишком много электричества. Если уменьшить емкость С, то всякие паразитные емкости и помехи могут существенно повлиять на работу схемы.  
 С другой стороны, максимальное значение резистора примерно равно 15Мом. Здесь ограничение накладывает ток, потребляемый входом Останов (около 120нА) и ток утечки конденсатора С. Таким образом, при слишком большом значении резистора таймер просто никогда не выключится, если сумма токов утечки конденсатора и тока входа превысит 120 нА.  
 Ну а что касается максимальной емкости конденсатора, то дело не столько в самой емкости, сколько в токе утечки.Чем больше емкость, тем больше ток утечки и тем хуже будет точность таймера. Поэтому, если таймер будет использоваться для больших временных интервалов, то лучше пользоваться конденсаторами с малыми токами утечки - например, танталовыми. [5]

Рисунок 6. Диаграммы напряжений на выходе таймера и на конденсаторе С.

1.3.2. Генератор тока.

В качестве генератора постоянного  тока используем схему токового зеркала.

В электронных устройствах, особенно на интегральных схемах, часто применяются  источники постоянного тока и, в  частности, тока, постоянного во времени. Хотя в реальном электронном устройстве невозможна реализация идеального источника  постоянного тока, существуют способы, позволяющие получить очень близкую  аппроксимацию такого идеального источника.

В этом случае, например, широко используется тот факт, что для  транзистора в активном режиме ток  коллектора относительно независим  от напряжения на коллекторе. Для транзистора  в активной области, или в активном режиме работы, напряжение между коллектором  и эмиттером должно быть больше ~ 0,2 В, но меньше напряжения пробоя между коллектором и эмиттером, которое для транзисторов ИС составляет, по крайней мере, 50 В. В этом диапазоне напряжений ток коллектора относительно независим от напряжения между коллектором и эмиттером. Рассмотрим схему, показанную на рис. 7.

   Прежде всего,  предположим, что оба транзистора  полностью идентичны. Поскольку  базы обоих транзисторов соединены  и эмиттеры подключены к общей  точке, можно записать, что  . Таким образом, оба транзистора имеют абсолютно одинаковые напряжения между базой и эмиттером. VT1 — транзистор в диодном включении, так как его коллектор закорочен на базу, следовательно,  V_CB = 0. Эмиттерный переход транзистора VT1 смещен в прямом направлении протекающим через него током I₁. Поскольку V_CB = 0, коллекторный переход заперт, поэтому VT1 работает в активной области с соответствующими параметрами.

Транзистор VT2 будет работать в активной области все время, пока напряжение на нем больше 0,2 В, но меньше напряжения пробоя. Поскольку транзисторы идентичны, оба они находятся в активной области с одинаковыми напряжениями между базой и эмиттером и коллекторные токи обоих транзисторов приблизительно равны: . Поскольку

имеем

Усиление по току B для транзисторов ИС много больше единицы, поэтому можно сказать, что I₂ » I₁. Для типичного усиления по току 100 учет влияния базового тока даст лишь 2% различие между I₂ и I₁. Следовательно, на практике в большинстве случаев можно пренебречь влиянием базового тока и считать, что I₂ = I₁.

Рассмотренная схема называется токовым зеркалом, так как ток, текущий через левую часть  схемы, является по существу зеркальным отражением тока в правой части. Эта  схема служит основой большинства  схем источников тока, а также большинства  схем активной нагрузки дифференциального  усилителя.

Предыдущий анализ транзисторной  пары токового зеркала был проведен в предположении полной идентичности обоих транзисторов. Рассмотрим, что  происходит в реальной ситуации, когда  это предположение не выполняется. Например, даже у двух транзисторов ИС идентичной конструкции, которые  расположены в непосредственной близости друг к другу на одном  кристалле ИС, существуют небольшие  различия в электрических характеристиках.

Наиболее важное отличие  между двумя транзисторами состоит  в ширине базы. Это различие в  ширине базы двух в остальном идентичных транзисторов проявляется в различии усилений по току и становится причиной напряжения смещения V_OS.  Для схемы токового зеркала различие усилений по току не играет большой роли вследствие малости базового тока, тогда как напряжение смещения может оказаться существенным. Поэтому в паре транзисторов токового зеркала токи коллекторов не будут точно равны, а будут подчиняться соотношению

                                                  ,                                         (3)

где V_T — температурный потенциал. Для транзисторов идентичной конструкции, как правило, напряжение эмиттер - база порядка ±1 мВ. Это соответствует ±4%-ному различию между коллекторными токами пары транзисторов.

Диапазон напряжений, в  котором схема работает приблизительно как источник постоянного тока, называется диапазоном линейного изменения  напряжения. Однако даже в диапазоне  линейного изменения напряжения схема является всего лишь хорошим приближением к идеальному источнику тока. В пределах этого диапазона выходной ток слабо возрастает с увеличением напряжения на источнике. Вольтамперная характеристика I_ВЫХ(V_ВЫХ) источника постоянного тока имеет приблизительно постоянный наклон в большей части диапазона линейного изменения напряжения. Этот наклон определяется производной dI_ВЫХ/dV_ВЫХ = g_ВЫХ, которая представляет собой динамическую выходную проводимость источника постоянного тока. Величина r_ВЫХ = 1/g_ВЫХ является динамическим выходным сопротивлением источника постоянного тока. Заметим, что идеальный источник тока имеет нулевую динамическую выходную проводимость и соответственно бесконечно большое выходное сопротивление. В реальных ИС выходное сопротивление составляет 100 кОм и выше.

Поняв принцип работы таймера  и генератора тока, можно собрать принципиальную схему ПЧН. [6]

1.4 Разработка принципиальной схемы.

В качестве входного сигнала для  работы преобразователя частоты  в напряжение подаются импульсы прямоугольной  формы. На выходе схемы получается переменное напряжение. Затем, поставив фильтры  высоких частот, выделяют постоянную составляющую этого напряжения, которое  и является входным напряжением  для нагрузки. Меняя длительность импульсов на входе, частоту их следования, на выходе меняется амплитуда колебаний  напряжения, а значит и меняется значение постоянного напряжения, полученного  с помощью фильтров.

Рисунок 8. Принципиальная схема  ПЧН.

2. Расчет и выбор элементов схемы ПЧН.

Так как нам необходимо на вход преобразователя подать прямоугольные  импульсы малой длительности и высокой  частоты, то на вход таймера поставим источник прямоугольных импульсов V1 с частотой 0.3 МГц и амплитудой 5В. Значения R1=9.1 кОм, R2=1кОм, С2=0.01мкФ, С5=0.01мкФ, V2=5В указаны в паспорте таймера. V2 – источник питания, который обеспечивает работу внутренних элементов таймера. Напряжение питания может лежать в диапазоне от 4,5 до 18 вольт.

Длительность импульсов  на выходе таймера определяется по формуле (4):

                              t= R*C*ln[(V2-Vост)/(V2-V1)],                         (4)

где R*C – постоянная времени времязадающей навесной RC-цепи, Vост – остаточное напряжение на коллекторе насыщенного транзистора.

Исходя из заданных нами параметров, t=0,1 мс.

Зададим V3=10 В. Это обеспечит не очень большое потребление энергии схемой, а так же правильное функционирование схемы токового зеркала. Т.к. на выходе необходимо получить постоянное напряжение произвольного значения, то зададим значение R3 цепи токового зеркала равное 1 кОм. Тогда Iвых=(V3-0.7)/R3= (10-0.7)/1*10^3=9,3 мА – выходной ток токового зеркала.

Т.к. выходное напряжение преобразователя  имеет произвольное значение, то зададим  R4=100кОм, С1=1.5 нФ. С1 в зависимости от времени будет разряжаться следующим образом:

Рисунок 9. Эпюры напряжения на C1 и в т. out

Для фильтров верхних частот зададим следующие параметры: L1=1мГн, R5=1кОм, C3=C4=1мкФ.

Значение R6=100кОм – значение нагрузки цепи.

Параметры таймера  NE555 приведены в приложении 1.

Выбор резисторов:

Резисторы выберем из ряда резисторов общего назначения с металлоэлектрическим проводящим слоем, предназначенных для работы в цепях постоянного, переменного импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа.[7]

В качестве резисторов выберем  С2-33:

Таблица 1. Параметры резистора  С2-33.

Промежуточные значения номинальных  сопротивлений соответствуют ряду Е24 с допусками ± 5, ± 10 %.

Выбор конденсатора:

Возьмем конденсатор К40П-2 со следующими параметрами:

Таблица 2. Параметры конденсатора К40П-2.

Это низковольтный низкочастотный бумажный конденсатор, предназначенный  для работы в цепях постоянного, переменного и пульсирующего  тока.Допуск для данного резистора соответствует ± 5,           ± 10%.[8]

Выбор транзисторов:

Токовое зеркало построим на биполярных транзисторах. Для этого выберем два биполярных транзистора 2N3249, т.к. они обладают необходимыми нам параметрами: Iкmax > 10мА (9,3 мА – ток, который течет от токового зеркала к полевому транзистору).

Исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор: кремний (Si) 
Структура полупроводникового перехода: pnp

Таблица 3. Параметры транзистора 2N3249. [9]

В качестве ключа возьмем полевой транзистор 2N6764 с параметрами: [10]

Тип: ………………………………………………………………..MOSFET  
Uds: ……………………………………………………………………100 В 
Id: ………………………………………………………………………38 А 
Rds: ………………………………………………………………0.055 мОм 
Pd: ……………………………………………………………………150 Вт 
Ugs: ……………………………………………………………………100 В 
Udg: ……………………………………………………………………..20 В 
Cd: ………………………………………………………………….3000 пФ 
Fr: …………………………………………………………………35/170nS  
Tj: ……………………………………………………………………..150 С

3. Моделирование схемы на ЭВМ.

Моделирование производилось  в программе MicroCap9, в процессе была собрана схема ПЧН, изображенная на рисунке.

Рисунок 10. Схема ПЧН, используемая при моделировании в MicroCap9.

На рисунке 11 показаны входной (А) и выходной (Б) сигнал таймера

Рисунок 11. Эпюры напряжения в т. in (А) и оut (Б)

А)

Б)

В)

Рисунок 12. Эпюры напряжения в т.11

Графики  12 иллюстрируют  работу схемы  преобразователя частоты в напряжение. При подаче прямоугольного импульса амплитудой 5 В и частотой 0.3 МГц на выходе видим постоянное напряжение величиной 0.28 В (график А), при подаче импульса частотой 0.15МГц видим на выходе постоянное напряжение величиной  0.21В (график Б), при подаче импульса частотой 0.1МГц на выходе напряжение величиной 0.12 В (график В).

Заключение

В данной курсовой работе был  спроектирован и смоделирован на ЭВМ преобразователь частоты  в напряжение на основе таймера NE555. В курсовой работе содержится краткое таймера, принцип его работы, рассмотрены различные варианты построения ПЧН. Также разработана структурная и электрическая принципиальная схема, проведен ее расчет.

В результате выполнения данного  курсового проекта, на практике освоили  и закрепили теоретический материал по курсу электроники. На практике освоили расчет и выбор элементов схемы, разработанной в данной работе. С помощью вспомогательных программ увидели работу модели данной схемы.

Список используемой литературы.

1. Преобразователь частоты <http://ru.wikipedia.org/wiki/> .

2.  Алексеенко А.Г, Коломбет Г.А., Стародуб В. И. применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Радио и связь, 1981. 224с.
3. Горелов Г.В. телекоммуникационные технологии на железнодорожном транспорте. УМК МПС, 1999.576с.
4. Функциональные устройства на микросхемах/ В.З. Найдеров, А. И. Голованов, З. Ф. Юсупов и др.; Под ред. В. З. Найдерова. М.: Радио и связь, 1985. 200с.
5. < http://cxem.net/beginner/beginner50.php> (22.12.2011)
6. < http://www.kit-e.ru/articles/circuit/2008_5_128.php> (22.12.2011)
7. Резисторы. Справочник./ В. В. Дубровский, Д.М. Иванов, М. Я. Пратусевич и др. Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова.М.: Радио и связь, 1991.  528с.
8. Справочник по электрическим конденсаторам./ М. Н. Дьяконов, В. И. Карабанов, В.И. Присняков и др. Под ред. Четверткова и В.М. и В. Ф. Смирнова. М.: Радио и связь, 1983. 576с.

9. <http://www.icinform.ru/compcard/3105/card> (22.12.2011)

10. <http://www.allcomponents.ru/fairchild/2n6764.htm> (22.12.2011)

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. NE555 datasheet