K U N LÁSZLÓ Hlradástecknikai Ipari Kutató Intézet
Feszültség-frekvencia konverterek felépítése és hibridáramköri megvalósítása ETO 621 31i.2.0i9.776:62i.31i.027:621.314,029
A számítógépes folyamatirányítás elterjedése maga u t á n vonja az interface á r a m k ö r ö k fejlődését. A m é rés és b e a v a t k o z á s analóg^yoita, valamint-,a' köztes funkciók teljesítésének digitális módja m i a t t , mind nagyobb szükség van analóg/digitál és digitál/analóg konverterekre. Az analóg/digitál konverterek. egy sokoldalúan felhasználható tagja a feszültség—frek vencia konverter. A cikk ezen konverterek részletes ismertetésével foglalkozik, mely á r a m k ö r i család az O M F B által t á m o g a t o t t átfogó alkalmazástechnikai kuta'tó m u n k á n k része.
A feszültség—frekvencia konverter olyan interface á r a m k ö r , mely a bemeneteire adott feszültséggel a r á n y o s kimeneti impulzus-sűrűséget hoz létre. Ez a funkció sokféleképpen megvalósítható és a konverzió pontossága ennek megfelelően különböző lesz. A legegyszerűbb m ű k ö d é s ú g y érhető el, ha egy k o n d e n z á t o r t a bemeneti feszültséggel arányos á r a m m a l t ö l t ü n k és s ü t ü n k k i , k é t különböző fe szültséghez. A működési elv az 1, á b r á n l á t h a t ó . , Pozitív bemeneti feszültség esetén az U — U /R 4+ í ? á r a m a C k o n d e n z á t o r t negatív i r á n y b a n tölti.* A k o m p a r á t o r bemenete negatív referencia-feszült ségre (E/wi) kapcsolódik, így állapotot akkor vált, ha U < U . E k k o r az S kapcsoló n y i t , S zár, és U feszültség kapcsolódik a k o m p a r á t o r r a . Ugyanakkor a S is bekapcsol és C és J? -on keresz t ü l kisül. A k o n d e n z á t o r t kisütő á r a m +
s
4
C1
N1
2
a
N2
t
3
BE'
fii
x
1
S
h~
1
2
Tf—5
\y)
BERI
U
Az S és z á r t állásában viszont a kondenzátor + U feszültségre töltődik fel, ezt kell kisütni — U értékre. Az ehhez szükséges i d ő : 2
N2
N1
A kimeneti jelsorozat frekvenciája a k é t időből szá mítható:
1, A feszültség-frekvencia konverterek működése
BE
és í az áttöltődéshez szükséges idő. Ez a (2) képletből kifejezhető: ^Wm+V^) CR (R +R )
(1)
Ezzel elérhető, hogy a kimeneti frekvencia arányos legyen a bemenetre adott feszültséggel. A C konden zátor töltéséhez és kisütéséhez szükséges idő a k ö vetkezőképpen s z á m í t h a t ó : A C k o n d e n z á t o r az S z á r t állásával jellemezhető állapotban — U "feszültségre t ö l t ő d ö t t fel. A rajta levő feszültség az I' á r a m h a t á s á r a + U feszültség felé növekszik. A k o n d e n z á t o r feszültségének megváltozása í idő alatt
;^J— k+h
1
=
(R^R^R^
(U +U )C m
+
, ,
A kimeneti impulzussorozat kitöltési tényezője 1:1 is lehet, ha í = / . Ennek feltétele: 1
2
(7) M i n t l á t h a t ó (5)-ből a frekvencia az áramkör beme n e t é r e adott feszültségnek lineáris függvénye lesz. A megvalósítás a 2. á b r á n l á t h a t ó , mely* egyben a H U F — 0 1 típusú feszültség-frekvencia konverter kapcsolási rajza is. A megoldás előnye annak egyszerűsége és minimá lis kapcsolószükséglete, hiszen a referenciaváltást a •pozitív visszacsatoló ágban elhelyezve, az S és S automatikusan megvalósul. A megoldás h á t r á n y a , hogy m i n d k é t i r á n y b a n a n y i t o t t diódák feszültsége a referencia Zener-feszültségéhez hozzáadódik, így annak igen erőteljes hő fokfüggése a konverzióban szerepel. Számszerűen a referenciafeszültség 2,2 mV/°C-os megváltozásának 2
2
N2
x
AU^Utn+Ui
2& c
(2)
ahol
uBE R
3
Rx+Ri IH 509-KL 1]
Beérkezett: 1977. I I . 22.
204
)
(6)
R^+R^]
NÍ
e
(5
Ubb
m
1. ábra. A H U F 01 elvi működési vázlata
3
KUN L . : FESZÜLTSÉG-FREKVENCIA K O N V E R T E R E K
A z á r a m g e n e r á t o r az 5. á b r á n vázolt elrendezéssel é p í t h e t ő fel. M i u t á n a tranzisztorok áramerősítési tényezője nagy hőfokfüggéssel rendelkezik, a meg oldás csak 0,5% pontossági igények kielégítését teszi lehetővé. E n n é l egyszerűbb, pontosabb és gyorsabb á r a m k a p c s o l ó valósítható meg a 6. á b r á n vázolt meg oldással. H a a z U g jelű pont feszültségét a zérus feszültsé gű pont fölé visszük, úgy D lezár és az á r a m D -n folyik keresztül. Ez az egyik leggyorsabb kapcsoló, és így biztonsággal a 100 kHz-es m ű k ö d é s is elérhető a m e g k í v á n t 12 bites pontosságon belül. ( D és D egyetlen k e t t ő s diódával realizálható. Típusa B A W 56.) Az á r a m k ö r másik lényeges része a precíziós időala pot a d ó monostabil m u l t i v i b r á t o r . Ennek egy lehetsé ges megvalósítását a 7. á b r á n l á t h a t j u k . K kapcsoló E
x
2
x
IH509- KL 2|
2. ábra. A H U F 01 kapcsolási és bekötési rajza
2
X
megfelelő hőmérsékleti e g y ü t t h a t ó a 4,7 V-os refe2,2 renciára vonatkoztatva -r^;*10 / C relatív v á l t o z á s t 4,7 '; jelent ( ~ 400 ppm). Fenti h á t r á n y a ellenére az á r a m k ö r szerényebb (6—8 bit) pontossági igényekig igen jól a l k a l m a z h a t ó , mivel a konverziós tényező megváltozása a linearit á s t nem befolyásolja. Ugyancsak előnye az á r a m körnek, hogy szimmetrikus jelet ad k i , így szinuszosítható, vagy P L L hurokban használható fel. A z előbbitől lényegesen különböző, annál elvében is pontosabb a töltés-kiegyenlítéses módszer. Ennek elvi v á z l a t a a 3. á b r á n l á t h a t ó . Az U feszültség az R ellenálláson keresztül tölti a C k o n d e n z á t o r t , melynek feszültsége (U ) a k o m p a r á t o r komparálási szintjéhez (jelen esetben 0 V ) közelít. A zérus komparálási szintet elérve a k o m p a r á t o r indítja a precíziós monostabil m u l t i v i b r á t o r t , mely előre beállított ideig / ' á r a m o t von k i a kondenzátorból. Ez az á r a m : _3
BE
^B£
Jg
Jntegróhr
-II-
o
BJI
U
J
0
\
R
IH 5 0 9 - K L 3 I 3. ábra. A töltéskiegyénlítéses módszer elvi vázlata
BE
C1
/'_/
BE
U
nagyságú. A t idő alatt a C k o n d e n z á t o r 0
•1%
u =-
(8)
cl
feszültségre töltődik fel. A kisütési periódusban (4. á b r a ) ez a feszültség a komparálási szintig csökken. Ennek ideje: Ug-C (h-U /R )t -C (9) BE
U /RBEBE
CU /R,
BE
|H gt?9-l<m ábra. A töltéskiegyénlítéses módszer idődiagrammja
0
BE
BE
A teljes periódusidő: T=t t ={l 1+ 0
{
uBE R BE
R BE
uBE
+ t
0
(10)
E b b ő l frekvencia:
uBE
(11)
M i n t l á t h a t ó , a frekvencia az U feszültség lineá ris függyénye, és frekvencia független a C k a p a c i t á s értékétől (9). Szerepe csak annyi, hogy a k o n d e n z á torral a k o m p a r á t o r bemenetére kerülő feszültség szint állítható be optimális értékre. BE
|H50g-KLS| 5. ábra. Áramkapcsoló egy elrendezési lehetősége
205
HÍRADÁSTECHNIKA X X V I H . ÉVF. 7. SZ.
A frekvencia független az I áramtól, ha az I =I feltétel teljesül. Az á r a m k ö r stabilitását így kizáró lag p a W í v alkatrészek stabilitására lehetett vissza vezetni, mely elemek a hibrid technológia számára rendelkezésre állnak. Az így felépített H U F 02 tí pusú, 10 kHz-es feszültség-frekvencia konverter stabilitására jellemző, hogy az eredő hőmérsékleti e g y ü t t h a t ó kisebb, m i n t 100 ppm, linearitása jobb, mint 13 bit, a 3 mV —10 V t a r t o m á n y b a n . Az á r a m k ö r t úgy a l a k í t o t t u k k i , hogy mind pozitív, mind ne gatív feszültséget fel tudjon dolgozni (a bekötéstől függően). Az á r a m k ö r bekötési rajza a 8a ábrán l á t h a t ó . (A bekötés negatív bemeneti feszültségnek felel meg.) 0
0
01
A P potenciométerrel 10 V bemenő feszültségnél a 10 kHz-es kimeneti frekvencia állítható be. (Külső állítás nélkül / ^ u o v ^ l O k H z ) . Az á r a m k ö r bemeneti ellenállása 62 kohm. A k i meneti frekvencia x
|H 5 0 9 - K L S l ábra. Az áramkapcsoló egy másik elrendezési lehetősége
U ,K
(14)
BF
KI' J q 1
I ö
(RJSE+RKÜLSÖI)
Komparáior
s í—.
Kimenet
^ külsői 1
i
4 5 O •! 6 7 +
5
V
f/g |?0 \ ÍTTLföld
[H509-KL 7\ 7. ábra. Precíziós időalap-generátor elvi kapcsolási rajza
z á r t állása mellett a k o n d e n z á t o r feszültsége zérus, í ^ - e t nyitva, a k o n d e n z á t o r feszültsége C,U (12) ín
[H 509-KL8a\ 8a ábra. A H U F 02 bekötési rajza (negatív bemeneti feszültség esetén)
2
R
külsői
1/
o
R,
0
\ HUF 02
oi-
ahol R F I időalap á r a m g e n e r á t o r á r a utal. A konverziós tényező az 1. t á b l á z a t alapján a t idő behelyettesítése u t á n következő a l a k ú : a
4-0 39 38 —f —I
idő alatt éri el a referencia feszültséget, amikor is a k o m p a r á t o r előjelet v á l t . Ezen t idő szolgál i d ő a l a p k é n t a konverzióban ( á r a m g e n e r á t o r k é n t a 6. á b r á n l á t h a t ó megoldást használtuk) U npp l
ÍL
15/üs
z
/
R B
2
0
^O^BE^Í^z/^01
MasimáliKfrákvencia
BE
Dinamika tartomány
Hőmérsékleti együttható
Méret (coll-ban)
lxl
1 mV—10 V
- 50 ppm/°C
2x2
0,1%/FS±1 Hz
3 mV-10 V
-=100 ppm/>C
1 xl,5
0,1%
1 mV—10 V
100 ppm/°G
2x2
0,3%/FS
H U F 02 .
10 kHz
0,05%
H U F 03
10 kHz kHz
z
600 ppm/°C
10 kHz
100
(13)
U CiR
Nemlinearitás
H U F 01
H U F 04
BE
0b\
8b ábra. A H U F 02 bekötési rajza pozitív bemeneti feszütség esetén) 1. táblázat Feszültség -frekvencia konverterek összehasonlító (ál)lázata
/ = ^oh^BE
Típus*
u
\H509-KL
10 mV—10 V
Megjegyzés
Oj fejlesztésre nem ajánl. Helyette H U F 03 \
1977 I I . né.
* A hibridáramkörök jelölési rendszere megfelel a K G M Szabványosítási Központ 1976. szeptemberi ülésén elfogadott irányelveknek
206
K U N I , . ; FESZÜLTSÉG-FREKVENCIA K O N V E R T E R E K 9. ábra. A H U F 03 bekötési rajza
JÜUUl Kapuzo jer (17)
í
fkt'm
nnn \H 509- KL9\
alakú, ahol K'=6,2-10
7
Hz
kHz/10 V-os • meredekségen v á l t o z t a t n i akar, ú g y csökkentés esetén a 40 kivezető pont és a bemenet közé kell a (14)-ből k i s z á m í t o t t R OLSŐI ellenállást építeni. A konverziós tényező növekedése esetén U -K
(15)
BE
RBE'^KÜLSÖZ
REF
(12)-ben I
0
R
UBE
Í-T
U
R
K
0
T
REFl
amivel (13) a következő a l a k ú :
Z
K /
es
REF
U -C -
alapján a 2 és 40 kivezető pontok közé kell az R OLSŐ ellenállást kapcsolni. (A 8í> á b r a pozitív bemenő fe szültség esetén ábrázolja a bekötést.) Amennyiben a jelforrás kimenete áramgenerátor, úgy lehetőség van arra is, hogy közvetlenül á r a m m a l hajtsuk meg a konvertert. A konverter bemenetén F É T b e m e n e t ű műveleti erősítő van, a konverziós t a r t o m á n y 5 dekádra növelhető (1,5 nA—150 f*A). A jelforrás a 2 (bemeneti) és 36 (föld) pontok közé csatlakoztatható. A konverter csak negatív irányú á r a m o t t u d fel dolgozni. A végkitérésnek megfelelő á r a m ( / max = = 10kHz-re 150 [t.A + 5%). M i n t az az eddigiekből l á t h a t ó , a k o m p a r á t o r komparálási szintje a konverziós tényezőben nem szerepel. B e l á t h a t ó , hogy a k o m p a r á t o r r a l szemben t á m a s z t o t t követelmény a kapcsolási idő állandósága és a komparálási szint rövid idejű stabilitása. Ez azt jelenti, hogy a k o m p a r á t o r t nem kell műveleti erő sítőből felépíteni, erre a célra hangfrekvenciás tran zisztorokból felépített Schmitt-trigger is megfelel. Ez jelentősen csökkenti a' végső kivitelezés költségét. Ezen elvek szerint a l a k í t o t t u k k i a H U F 03 jelű kon vertert, mely pozitív bemenő feszültség átalakítására szolgál. Stabilitása megfelel a 12 b i t pontossági igé nyeknek a 0—70 °C hőmérsékleti t a r t o m á n y b a n (9. ábra). E n n é l az á r a m k ö r n é l alkalmaztuk először e g y ü t t a v é k o n y - é s vastagréteg-technológiát, mely nél a működés szempontjából kritikus ellenállásokat vékonyréteg-, a t ö b b i t vastagréteg-technológiával a l a k í t o t t u k k i . Ez lehetővé tette, hogy a í időt meghatározó C csillám-kondenzátor hőmérsékleti e g y ü t t h a t ó j á t ( — 50 ppm) a + 5 0 + 1 0 ppm T -va be állított vékonyréteg-ellenállással (mely 7 -et h a t á rozza meg) kompenzáljuk. A többi ellenállás is ha sonló T^-val készült, ugyanis a többi ellenállásnál csak azok a r á n y a szerepel az átvitelben.
REF
0
K
ÍK, = -
U
(ll)-ben J =
H a a felhasználó a 10
J
R
E
F
3 REFl
R
u
REF
REF
R REFl
BE
REF
(16)
R BE
A minimális felület érdekében a vékonyréteg-ellen állások üveghordozón készülnek. Az üveghordozó az azonos méretű vastagréteg lapka alatt van elhe lyezve. A k é t hordozó rögzítése a kivezető l á b a k k a l történik. A kimeneti impulzus szélessége 35 [jis. A frekvencia pontos beállítása P segítségével lehetséges. A beme neti ellenállás 25 kohm, így (14) segítségével R ÜLS6I kiszámítható. ( J í = 2,5-10 ) A frekvencia növelésére is lehetőség van. E célból a 7 és 10 kivezető pontok közé 4,5 kohmos precíziós ellenállást kell k ö t n i (9. á b r a R ) , Ekkor 10 V-nál f ~ 100 k H z lesz, melynek pontos értéke Pj-el beállítható. Az á r a m k ö r kis bemenő feszültségek esetén is pon tos kimeneti frekvenciát szolgáltat, ha a bemeneti IC offset hibáját kompenzáljuk. Ez a 10. á b r á n vázolt 1
K
7
KI
200k
k
01
10 k 200k H509-KL 10 10. ábra. Egyszerű távadatfeldolgozó rendszer adó része
207
HÍRADÁSTECHNIKA XXVIIÍ. ÉVF. 7. SZ.
elrendezéssel'oldható meg. Először P középállásánál U = 1 0 V - n á l / = 1 0 k H z állítandó be P e l , majd U =10 mV-nál f =10 H z a P segítségével (10. ábra). Végül az 1. t á b l á z a t b a n összefoglaltuk az eddig megvalósított és a tervezett feszültség-v-frekvencia konverterek főbb jellemzőit. Ezen á r a m k ö r ö k fel használási területe igen nagy, valamennyit s z á m b a venni szinte lehetetlen. A következőkben n é h á n y felhasználási t e r ü l e t e t i s m e r t e t ü n k . 2
BE
K /
r
Kl
HUF 02
2
UlFkonv.
fKJ
1 r , .ii i . i i • "i i i
Számláló
B E
! Feldolgozás
Meres
[H 509- KL 12]
12. ábra. Hőmérséklet távadó
2. A feszültség-frekvencia konverterek felhasználási lehetőségei A feszültség-frekvencia konverterek jól használ h a t ó k azoknál az A / D konverziós feladatoknál,, ame lyeknél az á t a l a k í t á s ideje szabad p a r a m é t e r . A 10 kHz-es ( H U F 02) konverterek például a 100 ms-os integrálási idő esetén 0,1% pontosságot b i z t o s í t a n a k . Amennyiben a mérendő jel jel—zaj viszonya meg felelő, kihasználva azt a t é n y t , hogy az U / F kon-' verternek k i m e n e t é n a frekvenciaváltozás a belépő egységugrást k ö v e t ő l / T idő alatt lejátszódik ( T = a z új frekvencia periódusideje), a konverzió sebesség 0,1 ms-ig növelhető. Ebben az esetben a kimeneti információ a jel periódusideje, amely a bemeneti feszültséggel fordítottan a r á n y o s . Az U / F konverte rek legnagyobb előnye mégis az a t é n y , hogy viszony lag olcsó, de nagy pontosságú, és k ö n n y e n feldolgoz h a t ó A / D konverziót biztosít. 2.1 Lassan változó jelek U/Fkonverterrel
adatátvitele
Az U / F konverterek egyik legelterjedtebb felhasz nálási területe a lassú folyamatok táv-adatfeldolgo zása. I t t a folyamat érzékelő egysége á r a m o t vagy feszültséget ad k i , mely az U / F konverterrel impul zussorozattá k o n v e r t á l h a t ó . A 11. á b r á n v á z o l t megoldás segítségével az így kapott impulzussorozat a megfelelő formáló és csatoló á r a m k ö r ö n keresztül szimmetrikus vonalra c s a t l a k o z t a t h a t ó , mely a postai előírások figyelembevételével telefonvonal is lehet. (Kapcsolt vagy bérelt vonal.) A k a p u z á r ó á r a m k ö r r e l elérhető, hogy a vonal m i n d k é t i r á n y b a n igénybe vehető legyen, hiszen az információ elvileg csak 100 ms-ig kell egy mérési ciklus alatt rendelkezésre álljön. Elvben hasonló feladat m e r ü l h e t fel p l . t a r t á l y o k szintjelzésekqr, hiszen — elegendően nagy m é r e t e k esetén, mely a gyakorlatban mindig teljesül — a tar t á l y tartalma ugrásszerűen nem változik. A fenti megoldással a 0,5%-os átviteli pontosság minden
Szimetri- \Vonal i záló és ] J _ kapuzó egység 3
11. ábra
208
Icp konverter ültralin, e.i.r:
Reverz. számlánc Display
START-STOP \h 509-KL 131 ' ,
13. ábra. Integráló típusú DVM
nehézség nélkül, a 0,1%-os átviteli pontosság pedig a mérés idejének 3—6 szoros kibővítésével elérhető. 2.2 Hőmérséklet
távadó
A nyitó i r á n y b a n előfeszített dióda hőmérsékleté nek függése előnyösen a l k a l m a z h a t ó hőmérséklet m é résére. A 12. á b r a szerinti összeállításban az l á r a m m a l a diódán átfolyó á r a m o t lehet beállítani, míg 7 -vel a 0 °C-nál a 0 H z - t . R a 2,2 mV/°C-nak megfelelően 220 ohm, így 100 °C-nál a maximális 10 kHz-es frekvencia jelenik meg a kimeneten. x
'
Kapuzas
UP/DOWN
í l
= 8»
2
2.3 Digitális
2
feszültségmérő
U/F konverterrel
A felhasználók jelentős része az U / F konvertert feszültségmérésre használja. A 13. á b r á n egy feszült ségmérő t ö m b v á z l a t a l á t h a t ó . A bemeneti osztót úgy célszerű megválasztani, hogy az U / F konverterre j u t ó feszültség a 10 V - o t ne haladja meg, i l l . a meg felelő mérési pontosság m i a t t a mérendő frekvencia 100 Hz alá ne essen. A D V M természetesen csak unipoláris jelet t u d m é r n i . A bemeneti fokozatban az előjel eldöntésére lehetőség van, s azzal az automatikus polaritásváltás megoldható. Bipoláris digitális v o l t m é r ő építhető akkor, ha a bemeneti fokozatban abszolútérték-képző á r a m k ö r t helyezünk el. Az előjelbit lehetőséget ad arra, hogy a számlálón a mindenkori le- és felszámlálás i r á n y á t kijelöljük. Ezzel igen egyszerű módon integráló rendszerű A / D konvertert n y e r t ü n k (13. á b r a ) . E n nek a módszernek másik előnye, hogy a számláló és a jelforrás k ö z ö t t igen nagy távolság is lehet, mind össze k é t vezetéket használ a rendszer a 8,10 vagy 12 vezeték helyett. Egyszerűen optocsatolásos eszköz is a l k a l m a z h a t ó , amely a földelési p r o b l é m á k a t oldja meg. • ,
K U N L . : FESZÜLTSÉG-]
2.4 Léptetőmotoros
hajtás,
sebességvezérlés
Bizonyos esetekben, ha a l é p t e t ő m o t o r t terhelő n y o m a t é k nagyobb, mint a motornak az adott léptetési frekvenciákhoz t a r t o z ó indulási n y o m a t é k a , akkor a motort fel kell gyorsítani a maximális indí tási frekvenciájáról a tényleges működési sebességre. Ugyanez vonatkozik a motor leállítására is. A 14. á b r á n vázolt elrendezés alkalmas a probléma megoldására. Az 1 bemeneten érkező jelsorozat egy számláló előreszámláló bemenetére kerül. A számláló kimenete egy D / A konverterre, míg az egy U / F konverterre csatlakozik. A z U / F konverterből származó jelsorozat a számlánc visszaszámláló beme netére kerül. Indításkor a számlánc tartalma zérus, így f is zérus. Az f impulzusok elkezdik tölteni a szám láncot, a D / A kimenetén növekszik a feszültség, így az f is növekszik. A m i k o r az / = / E " l ' akkor a számláló tartalma csak az 1 — 1 b i t értékkel változik KI
BE
v e
KI
KONVERTEREK
K I
B
, . D/A
UP
®
Számíanc DOWN
'BE
H 509- KL fit
14. ábra. A sebességvezérlés tömbvázlata
és bináris értéke / - v e l egyezik meg. H a / megszű nik, ú g y f { h a t á s á r a a számlánc tartalma csökken, ami t o v á b b csökkenti / - t . Mind a frekvencia növe kedése, mind esökkenése a kimeneten közel logaritmi kusan közelíti / - t , i l l . a 0 Hz-et. K1
B E
K
K I
B E
