Интегральный преобразователь напряжение – частота КР1108ПП1 и его применение.

       Преобразователи напряжение—частота (ПНЧ) являются наиболее дешевым средством преобразования  сигналов для многоканальных систем ввода аналоговой информации в ЭВМ, обеспечивающим высокую помехозащищенность и простоту гальванической развязки. ПНЧ — отличное решение для задач измерения усредненных параметров, расхода, а также задач генерирования и модуляции частоты.

      ПНЧ 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.

    ПНЧ преобразует входное напряжение в частоту выходных импульсов, которые могут передаваться на большие расстояния без искажения информационного параметра — частоты. Второй этап аналого-цифрового преобразования: «частота—код» осуществляется путем подсчета импульсов за фиксированный интервал времени, то есть усреднением. Если этот интервал сделать кратным периоду основной помехи (20 мс), то помеха подавляется полностью. Это свойство особенно полезно для измерения зашумленных низкоуровневых сигналов, например э.д.с. термопары.

    В интегральных микросхемах ПНЧ используется метод интегрирования входного сигнала с импульсной компенсацией заряда интегрирующего конденсатора. Для получения высокой точности и стабильности преобразования необходимо обеспечить постоянство вольт-секундной площади импульса обратной связи.

    Отечественная промышленность выпускает ПНЧ типа КР1108ПП1, КР1108ПП1Б [1]. Его зарубежный аналог, совместимый по выводам — ADVFC32 фирмы Analog Devices, VFC32 и VFC320 фирмы Burr-Brown. Упрощенная функциональная схема такого ПНЧ показана на рис. 1. ПНЧ включает в себя усилитель А1, компаратор А2, одновибратор, источник стабильного тока I₀, аналоговый ключ S и выходной транзистор. Для построения ПНЧ микросхему следует дополнить двумя конденсаторами С1, С2 и двумя резисторами R1, R2. Элементы R1, С1, А1 образуют интегратор. Конденсатор С2 задает длительность импульса одновибратора t = kC₂, где k определяется характеристиками микросхемы (в VFC32 I₀ = 1 мА, k = 75 кОм). Импульсы тока I₀ уравновешивают входной ток, управляемый напряжением V_IN.

TV_IN / R₁ = kC₂I₀.

Откуда f = 1 / T = V_IN / (kI₀R₁C₂).    (1)

Рис. 1. Типовая схема включения и диаграммы сигналов ПНЧ КР1108ПП1

    Из (1) следует, что стабильность характеристики преобразования ПНЧ зависит от стабильности внешних элементов R1, C2 и внутренних параметров k, I₀ микросхемы. Кроме того, для обеспечения высокой линейности преобразования конденсатор С1 необходимо выбирать с малой утечкой и малым коэффициентом диэлектрической абсорбции (полипропиленовый, полистирольный, поликарбонатный).

    Диапазон входных токов задается равным 0,25I₀, а резистор R₁ устанавливает входной диапазон напряжения от 0 до V_INmax = 0,25I₀R₁.

    ПНЧ содержит выходной каскад с открытым коллектором. Напряжение питания этого каскада выбирается из условия согласования с последующими цифровыми цепями. Допустимый ток его достаточен для управления светодиодом оптрона или обмоткой импульсного трансформатора  в схемах гальванической развязки аналоговых входов. Выходной каскад содержит схему защиты выхода от короткого замыкания на источник питания, подключенный к резистору R2. Максимальный выходной ток низкого уровня не превышает 12 мА.

С помощью рассматриваемого ПНЧ можно преобразовывать отрицательные напряжения, но для этого нужно изменить подключение входного сигнала (рис. 2). Иными словами, прямое преобразование биполярных сигналов не предусмотрено.

 Рис. 2. Схема включения ПНЧ КР1108ПП1 при отрицательном входном напряжении.

    При расширении диапазона изменения выходной частоты все заметнее проявляется конечное время переключения аналоговых ключей, что выражается в интегральной нелинейности преобразования. Ее минимальная величина (0,01 %) достигается в узком диапазоне частот 0–10 кГц. В расширенном диапазоне выходных частот (0–100 кГц) нелинейность увеличивается до 0,05 %.

   Удобно использовать ПНЧ совместно с микроконтроллерами, имеющими встроенные таймеры/счетчики.  Для получения высокой точности преобразования необходимо проводить измерение не частоты выходных импульсов, а периода времени прохождения N импульсов. Тогда  погрешность преобразования, связанная с погрешностью измерения частоты, будет определяться следующей формулой:

Df=Fout / (Ft * N) (2),

где  Fout – максимальная выходная частота; Ft – частота тактовых импульсов частотомера.

   Микросхема ПНЧ может быть использована для обратного преобразования «частота—напряжение» (ПЧН). Рисунок 3 иллюстрирует включение КР1108ПП1 для работы в режиме интегрирующего ЦАП, выходное напряжение которого пропорционально среднему значению частоты входного сигнала. ПЧН полезны в схемах гальванической развязки аналоговых сигналов, в тахометрах, в электроприводе, в телеметрии. Выходной ток по аналоговому выходу не должен превышать 10 мА.

Микросхема  КР1108ПП1Б до 1997 г. отечественной промышленностью не выпускалась, и справочные сведения на нее из источников [2, 3] нельзя считать достоверными.

В таблице1 приведены основные электрические параметры микросхем КР1108ПП1 и КР1108ПП1Б, выпуск которых начался после 1997 г.

Рис. 3. Схема включения КР1108ПП1 в режиме ПЧН

Таблица 1

Основные электрические параметры

Литература:

1. ООО «РТК Импекс». Микросхемы интегральные КР1108ПП1. Технические условия бк0.348.758ТУ/03. 1997 г.

2. А.В. Нефедов. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник Том 8, Москва, РадиоСофт, 2000.

3. Б.Г. Федорков, В.А. Телец. Микросхемы АЦП и ЦАП: функционирование, параметры, применение. Москва, Энергоатомиздат, 1990