Převodníky U - f, f - U
7.
Převodníky U - f, f - U Čas ke studiu: 15 minut Cíl • •
Po prostudování tohoto odstavce budete umět popsat činnost základních zapojení převodníků U-f a f-U samostatně změřit zadanou úlohu
Výklad 7. 1. Převodníky U - f Napětím řízené generátory tvarových kmitů (převodníky napětí - frekvence) mají široké použití v řídicích i měřicích obvodech výkonových měničů. Mohou například vytvářet časovou základnu pro řídicí obvody pulzních měničů nebo střídačů. Další použití je možné ve snímačích napětí a proudu s frekvenční modulací. Převodník U - f je také základním stavebním prvkem fázového závěsu.
Obr. 31 Převodník napětí - frekvence Převodník na obr. 31 je sestaven z integrátoru a komparátoru, které jsou vzájemně propojeny zpětnou vazbou. Tato zpětná vazba řídí přepínání vstupního napětí U1 na integrátoru. Ten se pak v jedné půlperiodě chová jako invertující a v druhé jako neinvertující. Referenční napětí U20 (společný bod R8 a R9) pro komparátor je dáno pro kladné výstupní napětí velikostí Zenerova napětí diody D3, prahovým napětím D2 a přechodem B-C tranzistoru T1. Pro záporné napětí je to Zenerovo napětí D2 , a prahové napětí diod D1 a D3. Pro symetrický výstupní průběh musí být referenční napětí v obou polaritách stejná. K překlopení komparátoru dochází v okamžiku, kdy napětí integrátoru dosáhne hodnoty referenčního napětí, takže U10 = U20 (obr. 32).
32
Převodníky U - f, f - U
Obr. 32 Výstupní průběhy napětí převodníku U - f Podmínkou lineární závislosti výstupního kmitočtu na vstupním napětí je nabíjecí proud kondenzátoru. Ten musí být pro nabíjení i vybíjení stejný. Při kladném výstupním napětí komparátoru je tranzistor T1 sepnut a společný bod odporů R3 a R4 je uzemněn. Pro napětí na odporu R4 platí
U R 4 = U − = U + = U1
R2 = U1 ⋅ x R1 + R2
kde
x=
R2 R1 + R2
a pro nabíjecí proud kondenzátoru
IC+ = I R4 =
U R 4 U1 ⋅ x = R4 R4
Při záporném výstupním napětí je tranzistor T1 vypnut, takže pro nabíjecí proud bude platit
IC− =
U 1 − U + U 1 − U 1 ⋅ x U 1 (1 − x) = = R3 + R4 R3 + R4 R3 + R4 U 1 ⋅ x U 1 (1 − x) = R4 R3 + R4
Protože IC+ = IC- platí:
R3 1 − 2 ⋅ x = R4 x
úpravou
Při respektování této podmínky je možno odvodit vztah pro výstupní kmitočet. Napětí na výstupu integrátoru (viz. obr. 32)
Ui = pro t =
T 2
1 U+ dt + U i (0) C ∫ R4
je U i = U 10 = U 20 , U i (0) = −U 10 33
Převodníky U - f, f - U dosazením
U 10 =
a úpravou
f =
U1 ⋅ x T − U 10 R4 C 2
U1 ⋅ x 1 = T 4 ⋅ U 20 R4 C
7. 2. Převodníky f - U Převodníky frekvence - napětí jsou obvykle založeny na výpočtu střední hodnoty napětí, které je tvarováno na impulsy s konstantní šířkou a amplitudou. V nejjednodušším případě získáme střední hodnotu jako výstupní signál RC filtru. Aby zvlnění výstupního signálu bylo omezeno na přijatelnou hodnotu, musí mít filtr značnou časovou konstantu. Tento princip je tedy možno použít pouze pro nenáročné aplikace. Lepších výsledků je možno dosáhnout použitím elektronického filtru z obr. 33. Ze vstupního napětí U1 jsou monostabilními obvody MKO1 a MKO2 tvarovány signály UA a UB. Ze signálu UB jsou průchodem přes tranzistory T1 a T2 vytvořeny impulzy s konstantní amplitudou U0 a šířkou T0, jejichž frekvence je shodná s frekvencí vstupního napětí U1. Střední hodnota napětí UC se vytváří regulační smyčkou tvořenou integrátorem OZ1 a analogovými pamětmi AP1, AP2, které vzorkují výstupní signál integrátoru na konci každé periody. Tím je dosaženo dokonalé filtrace výstupního napětí UF. V ustáleném stavu je střední hodnota vstupního napětí integrátoru (UA - UF ) nulová, takže platí U F = U 0 ⋅ T0 ⋅ f . Výstupní napětí je tedy přímo úměrné vstupní frekvenci. Integrační časová konstanta určuje rychlost převodníku a je nutno ji zvolit podle nejnižší převáděné frekvence τ i ≥
1 f min
. Při minimální vstupní frekvenci se doba převodu rovná periodě vstupního
signálu, u vyšších frekvencí doba převodu zahrnuje několik period vstupního signálu. Převodník f - U na obr. 33 je doplněn zesilovačem s nastavitelným zesílením OZ2, kterým je možno převodník zkalibrovat. OZ3 pracuje jako invertor. Výstupy obou těchto zesilovačů vstupují do analogového multiplexoru, kde je podle směru otáčení motoru (signál REV) vybrán jeden z nich. Výstupní signál pro opačný směr otáčení se liší pouze ve znaménku.
Zadání 1) U předloženého vzorku převodníku U - f a) změřte převodní charakteristiku f = F(U) pro vstupní napětí 0 - 10 V b) změřenou závislost vyneste graficky a zhodnoťte linearitu převodníku c) zakreslete průběhy napětí na výstupu integrátoru a komparátoru měřeného převodníku 2) U předloženého vzorku převodníku f-U a) zjistěte rozsah měřených frekvencí a v tomto pásmu změřte převodní charakteristiku b) změřenou závislost vyneste graficky a zhodnoťte linearitu převodníku c) zakreslete průběhy napětí v označených bodech zapojení 3) U obou vzorků určete možnosti použití v elektrických pohonech 34
Převodníky U - f, f - U
Obr. 33 Zapojení rychlého převodníku f - U 35
Převodníky U - f, f - U
Obr. 34 Průběhy napětí v označených bodech převodníku f -U 36
