10.4. Універсальні генераторні мікросхеми

10.4.1. Мікросхема к1108пп1

Мікросхема К1108ПП1 має досить широку область використання, незважаючи на те, що за функціональним призначенням вона може виконувати тільки дві функції:

• забезпечувати пропорційне перетворення однополярної вхідної напруги в частоту прямокутних імпульсів (перетворювач U → f);

• перетворювати частоту вхідного сигналу в пропорційну їй напругу позитивної полярності (перетворювач f → U).

Завдяки своїй багатофункціональності мікросхема К1108ПП1 має велику кількість аналогів, у різній мірі подібних до неї. Лише компанія Analog Device виготовляє декілька типів подібних мікросхем. Це AD537, AD650, AD651, AD654, які відрізняються між собою показниками точності та перекриваним частотним діапазоном.

На рис. 10.45 приведена спрощена схема мікросхеми, яка дає можливість пояснити спосіб перетворення напруги в частоту [Зельд.].

Основою перетворювача є інтегратор, який включає в себе внутрішній операційний підсилювач DA1 та зовнішні елементи R₁ і C₁ . При постійній напрузі U_вх на виході інтегратора (вивід 13 мікросхеми) матимемо напругу, що змінюється за лінійним законом зі швидкістю, яка задається постійною часу R₁ C₁ , тобто:

.

Рис. 10.45

Рис. 10.46

На інтервалі до t₁ електронний ключ SA1 замикає контакти 2…3, і струм I₁ від джерела струму G1 протікає на загальну шину. Ключ SA2 знаходиться в замкненому стані і шунтує конденсатор C₂ , що приєднаний до виводу 5. Ключ SA3 замикає контакти 2…3, забезпечуючи замикання струму I₂ від джерела G2 через загальну шину.

У момент t₁ напруга U_i досягне нульового рівня, що зафіксується зміною стану компаратора DA2. Короткий імпульс S, що з’явиться на його виході (див. рис. 10.46), встановить тригер DD1 в одиничний стан по виходу Q, внаслідок чого стани ключів SA1…SA3 зміняться на протилежні. Ключ SA1 замкне контакти 1…3, внаслідок чого струм від джерела G1 почне заряджати конденсатор C₁ . Компаратор DA2 на своєму виході матиме нульовий рівень сигналу, але стан тригера DD1 при цьому не зміниться. Ключ SA2 розімкнеться і забезпечить можливість зарядки конденсатора C₂ . Ключ SA3 замикає контакти 1…3 і забезпечує цим протікання зарядного струму I₂ від джерела G2 через конденсатор C₂ . Останній почне заряджатись і зменшувати потенціал U_C2 на інверсному вході компаратора DA3.

У момент часу t₂ при U_C2 = U_ЗР компаратор DA3 на своєму виході сформує короткий позитивний імпульс, який по входу R встановлює RS-тригер DD1 у початковий стан, приводячи цим в початковий стан і ключі SA1…SA3. На виході 7 мікросхеми матимемо імпульси, інвертовані по відношенню до виходу Q тригера DD1.

З проведеного аналізу витікає, що період імпульсної послідовності, яка генерується мікросхемою, визначається вхідною напругою U_вх і постійною часу інтегратора, а пауза між імпульсами (інтервал t₁…t₂) – ємністю конденсатора C₂ .

Частота вихідних імпульсів визначається за допомогою формули:

,

де коефіцієнт k має розмірність напруги, а його величина лежить в діапазоні 7…8 [Зельд.].

На рис. 10.47 приведена принципова схема перетворювача U → f при позитивній вхідній напрузі. Параметри пасивних компонентів, що приведені на схемі, відповідають крутизні перетворення 1 кГц/В при зміні вхідної напруги в діапазоні 0…10 В.

Рис. 10.47

При використанні від’ємної напруги U_вх вона подається на прямий вхід DA1 (вивід 14 мікросхеми), а опір R₁ приєднується до загальної шини. Діапазон вхідної напруги при цьому не змінюється. Досвід роботи з мікросхемою, а також довідкові дані [Якуб.] свідчать, що при високій стабільності і точності пасивних компонентів перетворювач має високу лінійність крутизни перетворення, стабільність параметрів, низькі абсолютну та відносну похибки в діапазоні частот перетворення до 500 Гц. Високі технічні показники дозволяють використовувати мікросхему в різноманітних вимірювальних перетворювачів.

Розглянемо тепер особливість використання мікросхеми в якості перетворювача f → U.

Імпульси вхідного сигналу частоти f_вх подаються на вхід 10 компаратора DA2 (рис. 10.45). Після установки тригера DD1 у стан, при якому Q = 1, починається заряд конденсатора C₂ від джерела струму G2 (рис. 10.45) і одночасно відбувається перетворення струму I₁ від джерела G1 у напругу на виході DA1. Для забезпечення такого перетворення резистор R₁ приєднується паралельно C₁ , створюючи цим самим активний фільтр. Протягом всього інтервалу часу зарядки конденсатора C₂ до напруги U_зр напруга на виході DA1 (вивід 13) матиме величину U₁₃ = I₁ R₁ . Після спрацьовування компаратора DA3 напруга U₁₃ буде поступово зменшуватись за рахунок розряду конденсатора C₁ на резистор R₁ . Оскільки інтервал часу t₁…t₂ заряду конденсатора C₂ є величиною постійною, то з ростом частоти він зростатиме, і зростатиме середнє значення напруги U₁₃ на виході перетворювача.

Вихідний транзистор VT мікросхеми не має внутрішнього навантаження. Це надає можливість вибирати і встановлювати зовнішній опір R₂ , а також напругу живлення, виходячи з умов узгодження із зовнішнім навантаженням.

У реальних схемах між вихідним транзистором VT і тригером DD1 встановлений буферний каскад, керуючий вхід якого приєднаний до виводу 6. Сигнал високого рівня, що подається на вивід 6, дає можливість блокувати роботу транзистора. Це суттєво розширює функціональні можливості мікросхеми, оскільки надає змогу з’єднувати їх паралельно по виходу.

Приклад 10.7. Розробити схему перетворювача f → U для інтервалу частот 0…10 кГц.

Розв’язання. За базову береться схема перетворювача, приведена на рис. 10.47. Відповідно до опису роботи перетворювача, сигнал вхідної частоти повинен подаватись на вхід 10, а виводи 1 і 10 з’єднуються між собою через паралельно з’єднані R₁ і C₁ , параметри яких залишаються незмінними. Вивід 13 використовується як вихід перетворювача.

Мікросхеми, які забезпечують перетворення U → f та f → U, окрім високої лінійності перетворень, мають досить високі технічні характеристики по входу і виходу. Вхідний операційний підсилювач має високу стабільність коефіцієнту підсилення, незмінний в широкому діапазоні температур і зовнішніх напруг вхідний опір, що дозволяє безпосередньо приєднувати різноманітні низькорівневі датчики. Величина температурного зміщення вхідного потенціалу строго регламентована, а у деяких приладах має лінійну залежність 1 мВ/С (AD537) в широкому діапазоні температур. Вихідний транзисторний ключ забезпечує комутацію струмів у декілька десятків міліампер (для різних мікросхем у межах 10…50 мА), має високу робочу напругу, що дає можливість приєднувати до нього широкий ряд виконавчих пристроїв, світлодіоди, десятки входів ТТЛ.

Прямокутна форма вихідної напруги дає можливість знизити внутрішні втрати енергії та підвищити стабільність, а також полегшити задачі використанні приладу для більшості прикладних задач.

Усе це забезпечує найрізноманітніше використання мікросхеми. Перш за все, вона широко застосовується за безпосереднім призначенням. Перетворення U → f дає можливість створювати керовані генератори частоти, програмовані генератори частоти (перетворювачі код-частота). Таке пряме призначення дає можливість будувати на базі мікросхеми перетворювачі струму, температури, опору в частоту вихідних імпульсів. Це, в свою чергу, відкриває можливості на основі потенціометричних схем будувати перетворювачі лінійних і кутових переміщень у частоту вихідних імпульсів.

Надзвичайно широке використання мікросхеми знаходять у телеметрії, у задачах передачі інформації, в тому числі по оптоволоконних каналах зв’язку. У таких випадках розв’язуються проблеми невідповідності потенціалів датчика та приймача, проблеми перешкод.

Широке використання мікросхеми знаходять як генератори модульованих коливань з частотною та (рідше) широтною модуляцією.

У радіотехніці та пристроях радіоавтоматики мікросхеми використовуються в генераторах дискретних сіток частот на основі фазового автопідстроювання частоти.

Мікросхеми-перетворювачі U → f широко використовуються в пристроях аналого-цифрового перетворення з досить високими технічними характеристиками.

Перетворювачі f → U, окрім виконання зворотних перетворень в описаних вище пристроях, знаходять також використання як програмовані джерела напруги, перетворювачі кутових чи лінійних переміщень у напругу та інших задачах подібного характеру.