2 Wyjaśnienie prostych obwodów przetwornicy napięcia na częstotliwość

Obwód przetwornicy napięcia na częstotliwość przekształca proporcjonalnie zmieniające się napięcie wejściowe na proporcjonalnie zmieniającą się częstotliwość wyjściową.

Pierwszy projekt wykorzystuje układ scalony VFC32, który jest zaawansowanym przetwornikiem napięcia na częstotliwość firmy BURR-BROWN, specjalnie zaprojektowanym do wytwarzania niezwykle proporcjonalnej odpowiedzi częstotliwościowej na podawane napięcie wejściowe dla danego napięcia w obwodzie przetwornicy częstotliwości.

Jak działa urządzenie

Jeżeli zmienia się napięcie wejściowe, następuje zmiana częstotliwości wyjściowej i zmienia się proporcjonalnie z dużą dokładnością.

Wyjście układu scalonego ma postać tranzystora z otwartym kolektorem, który po prostu wymaga zewnętrznego rezystora podciągającego połączonego ze źródłem 5 V, aby wyjście było kompatybilne ze wszystkimi standardowymi urządzeniami CMOS, TTL i MCU.

Można oczekiwać, że wyjście z tego układu scalonego będzie wysoce odporne na szum i będzie miało doskonałą liniowość.

Pełnoskalowy zakres konwersji wyjściowej jest określany przy użyciu zewnętrznego rezystora i kondensatora, które mogą być tak zwymiarowane, aby uzyskać dość szeroki zakres odpowiedzi.

Główne cechy VFC32

Urządzenie VFC32 posiada również cechę działania w odwrotny sposób, to znaczy może być skonfigurowane do pracy również jako przetwornica częstotliwości na napięcie, z podobną dokładnością i wydajnością. Omówimy to szczegółowo w naszym następnym artykule.

Układ scalony można zamówić w różnych pakietach, w zależności od potrzeb aplikacji.

Pierwszy rysunek poniżej przedstawia standardową konfigurację obwodu przetwornicy napięcia na częstotliwość, w której R1 jest używany do ustawiania zakresu wykrywania napięcia wejściowego.

Włączanie wykrywania na pełną skalę

Można wybrać rezystor 40k, aby uzyskać wykrywanie wejścia w pełnej skali od 0 do 10 V, inne zakresy można uzyskać, po prostu rozwiązując następujący wzór:

R1 = Vfs / 0,25 mA

Korzystnie R1 musi być typu MFR, aby zapewnić lepszą stabilność. Regulując wartość R1 można zmniejszyć dostępny zakres napięcia wejściowego.

W celu uzyskania regulowanego zakresu wyjściowego FSD wprowadza się C1, którego wartość można odpowiednio dobrać do przypisania dowolnego pożądanego zakresu konwersji częstotliwości wyjściowej, tutaj na rysunku wybrano skalę od 0 do 10 kHz dla zakresu wejściowego od 0 do 10 V.

Należy jednak zauważyć, że jakość C1 może bezpośrednio wpływać na liniowość lub dokładność wyjściową lub wpływać na nią, dlatego zaleca się użycie kondensatora wysokiej jakości. Być może tantal staje się dobrym kandydatem do tego rodzaju zastosowań.

Dla wyższych zakresów rzędu 200 kHz i więcej, większy kondensator może być wybrany dla C1, podczas gdy R1 może być ustawiony na 20k.

Skojarzony kondensator C2 niekoniecznie ma wpływ na działanie C1, jednakże wartość C2 nie może przekraczać określonej granicy. Wartość C2, jak pokazano na poniższym rysunku, nie powinna być obniżana, chociaż zwiększenie jej wartości powyżej może być OK

Wyjście częstotliwościowe

Pinout częstotliwości układu scalonego jest wewnętrznie skonfigurowany jako tranzystor z otwartym kolektorem, co oznacza, że ​​stopień wyjściowy połączony z tym pinem będzie doświadczał tylko odpowiedzi opadania napięcia / prądu (logiczna niska) dla proponowanej konwersji napięcia na częstotliwość.

Aby uzyskać przemienną odpowiedź logiczną zamiast tylko odpowiedzi „prąd opadający” (logiczny niski) z tego wyprowadzenia, musimy podłączyć zewnętrzny rezystor podciągający z zasilaniem 5 V, jak pokazano na drugim schemacie powyżej.

Zapewnia to naprzemiennie zmieniającą się logikę wysokiej / niskiej odpowiedzi na tym wyprowadzeniu dla podłączonego stopnia obwodu zewnętrznego.

Możliwe aplikacje

Objaśniony obwód przetwornicy napięcia na częstotliwość może być używany do wielu zastosowań specyficznych dla użytkownika i może być dostosowany do wszelkich odpowiednich wymagań. Jednym z takich zastosowań mogłoby być wykonanie cyfrowego miernika mocy do rejestracji zużycia energii elektrycznej dla danego obciążenia.

Chodzi o to, aby podłączyć szeregowo rezystor wykrywający prąd z danym obciążeniem, a następnie zintegrować rozwijający się prąd narastający na tym rezystorze z wyjaśnionym powyżej napięciem do obwodu przetwornicy częstotliwości.

Ponieważ prąd narastający na rezystorze czujnikowym byłby proporcjonalny do poboru obciążenia, dane te byłyby dokładnie i proporcjonalnie przekształcane na częstotliwość przez wyjaśniony obwód.

Przetwarzanie częstotliwości można dodatkowo zintegrować z obwodem licznika częstotliwości IC 4033 w celu uzyskania skalibrowanego cyfrowego odczytu zużycia obciążenia i można to zapisać do przyszłej oceny.

Dzięki uprzejmości: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/vfc32.pdf

2) Za pomocą IC 4151

Kolejny wysokowydajny obwód przetwornika częstotliwości na napięcie jest zbudowany z kilku elementów i obwodu przełączającego opartego na układzie scalonym. Przy wartościach części wskazanych na schemacie współczynnik konwersji uzyskuje się przy liniowej odpowiedzi ok. 1%. Kiedy przyłożone jest napięcie wejściowe od 0 V do 10 V, jest ono przekształcane do proporcjonalnej wielkości napięcia wyjściowego fali prostokątnej od 0 do 10 kHz.

Za pomocą potencjometru P1 obwód można dostroić, aby zapewnić, że napięcie wejściowe 0 V generuje częstotliwość wyjściową 0 Hz. Elementami odpowiedzialnymi za ustalenie zakresu częstotliwości są rezystory R2, R3, R5, P1 wraz z kondensatorem C2.

Stosując przedstawione poniżej wzory, stosunek konwersji napięcia do częstotliwości można przekształcić, aby obwód działał wyjątkowo dobrze w kilku unikalnych zastosowaniach.

Podczas określania iloczynu T = 1.1.R3.C2 należy upewnić się, że jest to zawsze poniżej połowy minimalnego okresu wyjściowego, co oznacza, że ​​dodatni impuls wyjściowy powinien zawsze być minimalny tak długo, jak impuls ujemny.

f0 / Win = [0,486. (R5 + P1) / R2. R3. C2]. [kHz / V]

T = 1,1. R3. C2