Table of Contents

Основной принцип преобразования напряжения в частоту

Преобразование аналогового напряжения в пропорциональную частоту является хорошо зарекомендовавшей себя техникой кондиционирования сигнала, которая устраняет разрыв между аналоговыми датчиками и цифровыми счетчиками. Преобразователь напряжения к частоте (V/F) производит выходную форму волны, обычно импульсный поезд или квадратную волну, частота повторения которой линейно пропорциональна входному напряжению: f f = k × V в , где k — коэффициент конверсии в герц на вольт. Этот метод обеспечивает присущий ему шумовой иммунитет, поскольку частота является квазицифровым сигналом; она может передаваться по длинным проводам скрученной пары, пропускается через оптопарный таймер для изоляции или непосредственно измеряется с помощью микроконтроллера без необходимости аналого-цифрового преобразователя (ADC).

Фундаментальная физика преобразования V/F включает зарядку конденсатора током, полученным из V в, и генерацию импульса сброса, когда напряжение конденсатора достигает фиксированного порога. Скорость повторения этого цикла заряда-разряда является выходной частотой. Линейность, динамический диапазон и стабильность температуры определяют производительность преобразователя. Хорошо спроектированный V/F преобразователь на основе операционного усилителя достигает линейности 0,01% в диапазоне частот 100:1, что делает его пригодным для точного приборостроения, изолированного сбора данных и промышленных циклов управления. Понимание метода заряда-баланса и вариантов релаксации-осциллятора, наряду с ролью операционных усилителей в каждом, имеет важное значение для успешной конструкции.

Роль операционных усилителей в V/F преобразователях

Оперативные усилители служат активными строительными блоками, которые превращают простой RC-осциллятор в инструмент точного измерения. Они выполняют четыре основные функции в обычном V/F-преобразователе:

  • Ввод буферизации и масштабирования: Неинвертирующий усилитель или последователь напряжения обусловливает внешний сигнал для соответствия входному диапазону преобразователя без нагрузки на источник. Эта стадия также может реализовать усиление или ослабление.
  • Интеграция: Интегратор операционного усилителя генерирует высоколинейный рамп напряжения, интегрируя ток, пропорциональный V в. Наклон этого рампа определяет выходную частоту и является сердцем процесса преобразования.
  • Сравнение: Сравнитель (который может быть высокоскоростным операционным усилителем или выделенным компаратором IC) контролирует выход интегратора. Когда напряжение рампы пересекает точный порог, компаратор запускает механизм разряда или сброса.
  • Регулирование текущего источника: Точный источник напряжения в сочетании с операционным усилителем создает стабильный источник тока, который обеспечивает фиксированный заряд во время фазы сброса. Этот квант заряда должен быть очень стабильным для поддержания линейности по температуре и времени.

Выбор правильного операционного усилителя для каждой роли имеет решающее значение. Для интегратора такие параметры, как ток смещения входа, напряжение смещения входа и дрейф, доминируют в низкочастотной точности. Оп-ампер CMOS, такой как OPA140, предлагает полосу пропускания 11 МГц, скорость нарезки 20 В / мкс и смещение 100 мкВ, что делает его подходящим для конструкций с умеренной скоростью. Для сверхнизкого дрейфа стабилизированный оп-ампер, такой как LTC2057, с смещением 5 мкВ и дрейфом 0,05 мкВ / ° C, обеспечивает производительность лабораторного класса. Этап компаратора выигрывает от высокой скорости и низкой задержки распространения; специализированные компараторы, такие как ADCMP600 (задержка 500 пс) или классический LM311, часто являются лучшим выбором, чем оп-ампы общего назначения.

Ключевые методы проектирования

Преобразователь заряда V/F

Топология заряд-баланс является основой для многих монолитных V/F преобразователей, включая отраслевой стандарт LM331. В этой архитектуре интегратор нарастает под воздействием входного тока. Когда рампа достигает порога, установленного компаратором, точный однократный таймер активирует источник фиксированного тока, который разряжает интегрирующий конденсатор точным количеством заряда, Q], насос . Средний ток от зарядного насоса должен точно уравновешивать входной ток в устойчивом состоянии. Это заставляет частоту следовать за отношением f = I/Q, насос . , насос , насос определяется стабильным напряжением, резистором и конденсатором, линейность этого метода превосходна, обычно ограничивается только стабильностью этих пассивных компонентов и задержкой распространения компаратора.

Интегратор в преобразователе зарядового баланса суммирует входной ток и ток насоса. CMOS или JFET-входной операционный усилитель является обязательным для того, чтобы поддерживать ток смещения входа незначительным по сравнению с входными токами микроамперного уровня. Для компаратора часто добавляют гистерезис для предотвращения колебаний при пересечении порога. Продолжительность одного выстрела должна быть достаточно длинной, чтобы обеспечить полный Q] насос , но достаточно короткой, чтобы позволить интегратору сбросить до следующего цикла. Этот метод является предпочтительным выбором, когда абсолютная линейность является основной целью проектирования.

Осциллятор релаксации с контролируемым напряжением источником тока

Альтернативный подход использует интегратор операционного усилителя и компаратор триггера Шмитта, соединенный в петле обратной связи, чтобы сформировать свободно работающий осциллятор. Источник тока, управляемый напряжением, заряжает конденсатор линейно. Триггер Шмитта изменяет состояние, когда напряжение пандуса достигает своих верхних и нижних порогов. Период полученной треугольной или квадратной волны составляет T = 2 × C × Vhyst / Iin, где Vhyst является окном гистерезиса. Частота прямо пропорциональна Iin, которая получена из Vin.

Эта топология предлагает простоту и требует меньше точных компонентов, чем метод заряда-баланса. Однако ее линейность сильно зависит от точности источника тока и скорости переключения компаратора. Для умеренных частот (до нескольких сотен килогерц) четырехъядерный оп-ампер, такой как TL074, может служить как интегратором, так и триггером Шмитта. Для более высоких частот требуется специальный высокоскоростной компаратор, чтобы минимизировать ошибки, вызванные вариацией задержки распространения. Осциллятор релаксации является хорошим выбором для приложений, где простота схемы и пространство платы являются премиальными, и где крайняя линейность не требуется.

Пошаговый процесс проектирования (от 0-10 В до 0-10 кГц)

Для закрепления теории рассмотрим практическую конструкцию V/F преобразователя с зарядовым балансом с диапазоном входа 0-10 В и выходной частотой 0-10 кГц. В этой конструкции используется интегратор, компаратор, точный один выстрел и источник тока.

Масштабирование ввода и текущее поколение

Входное напряжение должно быть преобразовано в ток. Это достигается с помощью резистора R в, подключенного от V в в виртуальную землю на узле суммирования интегратора.Ток I в в в в. Для 10-вольтового полномасштабного ввода и целевой частоты 10 кГц в в в в = 10 нС × 10 кГц = 100 мкА. в = 10 В/100 мкА = 100 кОм. Для R в рекомендуется точный металлопленочный резистор с

Интегратор Core

Интегратор использует оп-ампер (U1) с конденсатором обратной связи Cint. Значение выходного напряжения линейно качается в качестве конденсатора зарядов. Значение конденсатора определяет амплитуду качения пилы до 10 В, время зарядки составляет T = 1/f = 100 мкс в полном масштабе. Используя уравнение конденсатора, Cintininininin / ΔV = (100 мкА × 100 мкс) / 10 В = 1 нФ. Полипропилен или NPO/C0G керамический конденсатор является хорошим выбором для Cintint из-за его низкого диэлектрического поглощения и стабильного температурного коэффициент

Сравнительный и точный One-Shot

Высокоскоростной компаратор (U2) контролирует выход интегратора. Когда рампа превышает опорное напряжение, Vref (например, 5 В), выход компаратора идет высоко, запуская моностабильный мультивибраторpulse. Во время этого импульса источник тока с фиксированной длительностью Idischarge Dischargedischargepulse определяет Qpump. Для целевого Qpumppulsedischarge = 5 мА. Однократный снимок может быть реализован с таймером 555, моностабильным логическим затвором или выделенным таймером IC. Компоненты с

Точный источник тока и этап выхода

Источник тока разряда требует стабильного эталонного напряжения и низковольтного резистора. Используя опорный усилитель LM4040-5.0 и операционный усилитель (U3), сконфигурированный как преобразователь напряжения к току, ток задается Iразрядомпереф/Rнабором.Для Iразряднабором = 5 В/5 мА = 1 кОм. Выход однократного выстрела представляет собой чистый цифровой импульсный поезд. Для заточения краев и преобразования сигнала на стандартные логические уровни для управления входом микроконтроллера или оптопаром может использоваться триггер Шмитта.

Выбор компонентов и анализ ошибок

Спецификации Op-Amp

Успех V/F преобразователя зависит от тщательного выбора активных и пассивных компонентов. Для интегратора входное напряжение смещения (V]os) является доминирующим источником ошибок на низких уровнях ввода. Смещение 1 мВ на входном резисторе 100 кОм создает ток ошибки 10 нА, что, если полномасштабный входной ток составляет 100 мкА, приводит к ошибке смещения 0,01%. Более критически Vos дрейф по температуре непосредственно сдвигает выходную частоту. Для компаратора должны быть охарактеризованы стабилизированные оп-амперы. Для компаратора должна быть охарактеризована задержка распространения с амплитудой перегрузки ввода может вводить нелинейность на высоком конце частотного диапазона. Использование компаратора с заданной вариацией задержки менее 10 нс по ожидаемому диапазону перегрузки целесообразно для конструкций, нацеленных лучше, чем 0,1% линейности.

Пассивные компоненты и ссылки

Интегрирующий конденсатор и резистор, который задает входной ток, являются основными детерминантами коэффициента усиления преобразования. Металлопленочные резисторы с TCR ниже 25 ppm/°C являются стандартными. Усилители проявляют диэлектрическое поглощение, что заставляет интегратор «запоминать» предыдущие состояния заряда и вводит гистерезис. Пригодны полистирол, полипропилен и керамика NPO/C0G; Следует избегать отсчета напряжения, который устанавливает порог компаратора и ток разряда непосредственно умножает любой дрейф на выходную частоту. Отсчет полосы пропускания с начальной точностью ±0,1% и дрейф 15 ppm/°C (например, LM4040 или REF5050) обеспечивает адекватную производительность для большинства промышленных применений. Для более высокой точности рекомендуется отсчет скрытого зенера (например, LT1236) с дрейфом ниже 5 ppm/°C.

Управление утечками и утечками

На сводном узле интегратора токи утечки из ПХБ, входного операционного усилителя и аналогового переключателя должны быть сведены к минимуму. Ток утечки 1 нА при полномасштабном входе 100 мкА представляет собой ошибку 0,001% на низких частотах. Защита сводного узла защитным кольцом, приводимым в действие точкой низкого давления (например, неинвертирующий входного сигнала операционного усилителя) уменьшает утечку поверхности. Зарядное впрыскивание из аналогового переключателя, управляющего током разряда, также может вводить ошибки. Выбор переключателя с впрыском низкого заряда (например, ADG839 с 5 pC) и добавление небольшого резистора серии в траектории привода затвора помогает смягчить эту проблему.

Методы калибровки

Прецизионные резисторы и опорные устройства обеспечивают прочную основу, но для достижения заданной точности почти всегда требуется окончательная калибровка. Обычно реализуются две регулировки: смещения и усиления.

  • Отделка от заданного напряжения:] При нулевых вольтах, приложенных к входу, выходная частота должна быть 0 Гц. Любое остаточное смещение при операционном усилителе или токе утечки вызовет ненулевой выход. Небольшой ток отвода может быть введен в сводящий узел, чтобы свести это на нет. Многоповоротный потенциометр, соединенный между опорным напряжением и сводящим узлом через высокозначный резистор (например, 10 MΩ), обеспечивает тонкую регулировку.
  • Обрезка цепи: При применении полномасштабного входного напряжения выходная частота обычно обрезается путем регулировки значения R в или резистора времени в однонаправленной схеме. Использование цифрового потенциометра (например, AD5160) для регулировки усиления позволяет автоматически выполнять калибровку микроконтроллером во время производства и хранить в EEPROM. Это устраняет механическую нестабильность триммеров и позволяет компенсировать температуру с помощью программного обеспечения.

Калибровка должна выполняться при номинальной рабочей температуре системы после периода разогрева не менее 15 минут, чтобы эталонные и операционные усилители могли достичь теплового равновесия.

Передовые приложения и оптимизация

Расширяя диапазон частот

Для толкания V/F преобразователя за пределы 100 кГц требуются более высокоскоростные компоненты и тщательная компоновка платы. Интеграторный операционный усилитель должен иметь продукт с выходной полосой (GBW), превышающий 50 МГц, а компаратор должен иметь задержку распространения при 10 нс. Уменьшение размаха напряжения интегратора от 10 В до 2 В улучшает запас хода и позволяет уменьшить Cint, что уменьшает постоянную времени цикла сброса. На этих частотах метод зарядового баланса может быть заменен на топологию осциллятора с контролируемым напряжением (VCO) или фазовую петлю (PLL) для улучшения производительности. Однако простые релаксационные осцилляторы с использованием высокоскоростных компараторов, таких как ADCMP600, остаются жизнеспособными для многих приложений общего назначения до 10 МГц.

Улучшение линейности на нижнем конце

Нелинейность при очень низких входных напряжениях (результат в низких частотах) часто доминирует над временем выпадения компаратора и конечным периодом разряда. По мере уменьшения входного тока время между импульсами сброса становится более длительным, но ширина импульса сброса остается фиксированной. Если задержка выпадения компаратора или время восстановления интегратора op-amp значительны относительно общего периода, страдает линейность. Топология зарядового баланса по своей сути смягчает это, поскольку квантовый заряд не зависит от частоты, но время одиночного выстрела должно оставаться стабильным. Использование интегратора с двойным выпадением, где время сброса также измеряется или компенсируется, может расширить линейную производительность до частот микрогерца.

Изоляция и системная интеграция

Одной из самых сильных мотиваций для использования V/F преобразователя является легкость, с которой сигнал может быть гальванически изолирован. Цифровой импульсный поезд может приводить в движение оптопару или цифровой изолятор (например, ISO7240) для обеспечения полной изоляции между передним концом датчика и цифровым процессором. Это значительное преимущество перед традиционными ADC, которые требуют дорогостоящих и сложных изолированных интерфейсов данных. Для передачи на большие расстояния частотный сигнал может быть преобразован в дифференциальную пару с использованием линейного драйвера, такого как DS8921, что делает его надежным против шума в обычном режиме в промышленных средах.Устройства Analog обеспечивают отличный обзор методов изоляции для V/F преобразователей.

Практические примеры применения

V/F преобразователи, построенные с помощью операционных усилителей, представлены в широком спектре систем:

  • Изолированное получение данных: В высоковольтных средах или медицинских устройствах преобразование V/F с последующим оптопаром обеспечивает простой, недорогой изолированный канал.
  • Линеаризация датчика: Для датчиков с выходным напряжением, таких как термопары или тензодатчики, усиленный сигнал может быть преобразован в частоту, чтобы упростить интерфейс с микроконтроллером.
  • Частотная модуляция (FM): Аналоговые данные датчика могут быть непосредственно модулированы по частоте для записи на ленту или передачи по аналоговой радиосвязи.
  • Измерение энергии: Обобщая частоты от преобразователей напряжения и тока, можно рассчитать энергопотребление с помощью простых цифровых счетчиков.

В каждом из этих приложений ключевое преимущество остается неизменным: частотный сигнал легче передавать, изолировать и точно оцифровывать, чем низкоуровневое аналоговое напряжение.

Оптимизация производительности в производстве

Раскладка и разъединение

Беглая емкость у узла суммирования интегратора должна быть минимизирована. Охранное кольцо на ПХБ, привязанное к точке низкого давления, защищает от утечки поверхности. Отдельные аналоговые и цифровые наземные плоскости с единой точкой подключения вблизи входа источника питания. Поместите керамические конденсаторы 0,1 мкФ как можно ближе к штифтам питания каждого активного компонента. Однократный таймер и компаратор должны быть физически отделены от интегратора, чтобы предотвратить переключение шума от соединения в чувствительную аналоговую рампу.

Термический менеджмент

Самонагрев операционного усилителя и эталона напряжения вызывает дрейф. Обеспечить адекватный воздушный поток вокруг этих компонентов. Держать токоустанавливающие резисторы подальше от силовых транзисторов или регуляторов напряжения. Использование маломощных операционных усилителей, таких как OPA376, потребляющий всего 0,5 мВт, минимизирует повышение внутренней температуры и улучшает общую стабильность.

Заключение

Проектирование преобразователя напряжения к частоте с операционными усилителями является практическим и полезным упражнением в точной аналоговой инженерии. Овладев топологиями заряда-баланса и релаксации-осциллятора, выбрав низкозарядные и низко-биасовые операционные усилители и тщательно управляя циклом заряда-разряда, инженеры могут создавать преобразователи, которые конкурируют с производительностью монолитных ИС в конкретных приложениях. Врожденные преимущества сигналов частотной области - шумовой иммунитет, простота изоляции и простая оцифровка - делают конвертер V / F ценным инструментом в репертуаре конструктора приборов. С подробным процессом проектирования и руководящими принципами выбора компонентов, представленными здесь, разработка пользовательского конвертера V / F для промышленного управления, сбора данных или изолированных интерфейсов датчиков является простой задачей. [[FLT: 0]] Прикладная записка Texas Instruments на конвертерах заряда-баланса обеспечивает дальнейшее чтение [[FLT: 1]].