Каталог радиолюбительских схем

1.2 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЕ - ЧАСТОТА.

Для измерения других электрических величин необходим преобразователь напряжение-частота. Такие преобразователи неоднократно описывались в радиолюбительской литературе, например (4 - 6). В указанных статьях приведены преобразователи различной сложности и точности работы. Для ознакомления с принципами измерения различных электрических величин мы будем использовать простейший преобразователь, схема которого приведена на рисунке 1.3.

Преобразователь состоит из входного делителя напряжения с коэффициентом деления 10, выполненного на резисторах R1-R3, интегратора, выполненного на инверторе микросхемы 561ЛН2 (D1A), пороговой схемы на элементах DIB, D1C и делителя частоты на 2, выполненного на микросхеме типа 155ТМ2. Рассмотрим более подробно работу составных частей преобразователя.

Совместная работа интегратора и порогового устройства приводит к генерации импульсного сигнала с частотой зависящей от прилаженного ко входу постоянного напряжения. Как это происходит? На выходе интегратора вырабатывается линейно-возрастающее напряжение. При достижении этим напряжением верхнего порога порогового устройства происходит переключение последнего и быстрое уменьшение напряжения на выходе интегратора до нижнего порога порогового устройства, после чего опять происходит его переключение и процесс повторяется. На рисунке 1.4 изображена форма напряжения на выходе интегратора, порогового устройства и выходного делителя частоты.

Как видно из рисунка, напряжение на выходе интегратора имеет пилообразную форму. На выходе порогового устройства - форму коротких импульсов, а на выходе делителя - форму меандра. Размах пилообразного напряжения на выходе интегратора определяется значением порогов порогового устройства, которые, в свою очередь, определяются соотношением резисторов R5, R6. Наклон пилообразного напряжения определяется величинами К2,С1 и напряжением на входе преобразователя. Напряжение на входе интегратора (вывод 1 микросхемы D1) составляет около 2,5 В и при работе практически не изменяется. Поэтому ток, которым заряжается конденсатор С1, зависит от напряжения на левом (по схеме) выводе резистора R2 и может быть вычислен по формуле:

I = (2.5 - Ubx)/R2 Время нарастания напряжения на выходе интегратора будет равно:

T=(Uв- Uн) *С1/((2.5 - Uвх)/R2) Тогда частота генерируемого сигнала будет составлять:

F=1/T = ((2.5 - Uвx)/R2)/(Uв - Uh) *C1

где Ubx - напряжение на левом выводе резистора R2,

Ub - верхний порог срабатывания порогового устройства,

Uh - нижний порог срабатывания порогового устройства.

Как видно из формулы, частота пропорциональна входному напряжению и уменьшается при увеличении напряжения (положительной полярности). При увеличении напряжения отрицательной полярности она увеличивается. Описанный преобразователь напряжение - частота сохраняет достаточную линейность при входном напряжении от -1.5В до +1.5В. Поэтому, для расширения диапазона измерения напряжений, используется делитель. Коэффициент деления можно определить по формуле:

N=(R1+R3)/R3

Выходной делитель частоты превращает короткие импульсы, формируемые на выходе порогового устройства, в сигал типа "меандр". Это необходимо для обеспечения более точной работы частотомера.

Вместо указанных на схеме элементов можно применить и другие. Вместо микросхемы К561ЛН2 можно использовать 564ЛН2, вместо К155ТШ - К555ТМ2. Диод VD1 может быть любым кремниевым импульсным диодом. Величины резисторов R2, R4 - R6 и конденсатора С1 могут отличаться от указанных на схеме на 30 процентов, при этом несколько изменится частота генерируемого сигнала. Так как перед измерением производится калибровка преобразователя, то это изменение будет учтено. Конструкция преобразователя не имеет значения. Можно использовать печатную плату, можно соединить все элементы используя навесной монтаж. Программа 1.5 позволяет измерять постоянные напряжения.

10 CLEAR 65300: DIM A(64)

12 INPUT "FREQUENCY OF QUARTZ -";Q

13 LET K=Q/14

15 LET N=1

16 LET KD=N

20 FOR I=1 TO 64

30 READ A(l): POKE (65300+1),A(I)

40 NEXT I

50 DATA 243,1,0,0,17,141,55,219

60 DATA 254,203,119,40,10,0,0,0

70 DATA 19,122,183,32,242,24,7,0

80 DATA 19,3,122,183,32,8,33,85

90 DATA 255,112,35,113,251,201,219,254

100 DATA 203,119,40,10,0,0,0,19

110 DATA 122,183,32,211,24,232,0,0

120 DATA 0,19,122,183,32,232,24,222

130 PRINT AT 9,6;"FREQUENCY:";AT 9,26;"(Hz)"

135 PRINT AT 10,6;" 1:N" KD

140 OUT 254,7: RANDOMIZE USR 65301

150 LET F=256*PEEK 65365+PEEK 65366-1

160 IF F<0 THEN LET F=0

170 PRINT AT 9,16;" *;AT 9,16;INT((F"K"KD)/0.951)

175 PRINT AT 12,6;"VOLT:";AT 12,16;" " ;AT 12,16;(388 - INT(F*K*KD)/0.951)"0.0519

180 GO TO 140

Для правильной работы программы - вольтметра необходимо произвести установку нуля и калибровку. Установка нуля производится следующим образом. Вход преобразователя закорачивается и считывается значение частоты. Это значение (в нашем случае получилось 38 8) подставляется в строку 175. Далее на вход преобразователя подается точно измеренное напряжение U в диапазоне -10 +10 вольт и считывается показание частотомера. После этого вычисляется коэффициент преобразования преобразователя напряжение - частота по формуле:

Knn = U/(fo-f)

где fo - частота при закороченном входе; f - частота при поданном напряжении U; U - напряжение на входе.

В нашем случае при подаче 10.0 В получили частоту 195 Гц. Тогда коэффициент преобразования будет равен:

Кпп = 10/(388 - 195) = 0.0519

Это значение также используется в строке 175. Необходимо отметить, что при повышении частоты, на которой работает преобразователь, уменьшается дискретность измерения, то есть повышается точность. Для повышения частоты можно уменьшить емкость конденсатора С1. Необходимо, однако, помнить, что частотомер может измерять частоты до 3 КГц.