1.2 Перетворювач напруги – ЧАСТОТА.

Для вимірювання інших електричних величин необхідний перетворювач напруга-частота. Такі перетворювачі неодноразово описувалися в радіоаматорського літературі, наприклад (4 – 6). У зазначених статтях наведені перетворювачі різної складності й точності роботи. Для ознайомлення з принципами вимірювання різних електричних величин ми будемо використовувати найпростіший перетворювач, схема якого наведена на малюнку 1.3.

Перетворювач складається з вхідного дільника напруги з коефіцієнтом ділення 10, виконаного на резистора R1-R3, інтегратора, виконаного на инвертор мікросхеми 561ЛН2 (D1A), порогової схеми на елементах DIB, D1C і дільника частоти на 2, виконаного на мікросхемі типу 155ТМ2. Розглянемо більш детально роботу складових частин перетворювача.

Спільна робота інтегратора і порогового пристрою призводить до генерації імпульсного сигналу з частотою залежить від прілаженного до входу постійної напруги. Як це відбувається? На виході інтегратора виробляється лінійно-зростаюче напруження. При досягненні цим напругою верхнього порогу порогового пристрою відбувається перемикання останнього і швидке зменшення напруги на виході інтегратора до нижнього порогу порогового пристрою, після чого знову відбувається його переключення і процес повторюється. На малюнку 1.4 зображена форма напруги на виході інтегратора, порогового пристрою і вихідного дільника частоти.

Як видно з малюнка, напруга на виході інтегратора має пилоподібним форму. На виході порогового пристрою – форму коротких імпульсів, а на виході дільника – форму меандру. Розмах пилоподібного напруги на виході інтегратора визначається значенням порогів порогового пристрою, які, у свою чергу, визначаються співвідношенням резисторів R5, R6. Нахил пилоподібного напруги визначається величинами К2, С1 і напругою на вході перетворювача. Напруга на вході інтегратора (висновок 1 мікросхеми D1) складає близько 2,5 В і під час роботи практично не змінюється. Тому струм, яким заряджається конденсатор С1, залежить від напруги на лівому (за схемою) виведення резистора R2 і може бути обчислений за формулою:

I = (2.5 – Ubx) / R2 Час наростання напруги на виході інтегратора дорівнюватиме:

T = (Uв-Uн) * С1 / ((2.5 – Uвх) / R2) Тоді частота генерується сигналу буде складати:

F = 1 / T = ((2.5 – Uвx) / R2) / (Uв – Uh) * C1

де Ubx – напруга на лівому виведення резистора R2,

Ub – верхній поріг спрацьовування порогового пристрою,

Uh – нижній поріг спрацьовування порогового пристрою.

Як видно з формули, частота пропорційна вхідному напрузі і зменшується при збільшенні напруги (позитивної полярності). При збільшенні напруги негативної полярності вона збільшується. Описаний перетворювач напруга – частота зберігає достатню лінійність при вхідній напрузі від-1.5В до +1.5 В. Тому, для розширення діапазону вимірювання тиску, використовується дільник. Коефіцієнт розподілу можна визначити за формулою:

N=(R1+R3)/R3

Вихідний дільник частоти перетворює короткі імпульси, які формуються на виході порогового пристрою, в стрибав типу "меандр". Це необхідно для забезпечення більш точної роботи частотоміра.

Замість зазначених на схемі елементів можна застосувати й інші. Замість мікросхеми К561ЛН2 можна використовувати 564ЛН2, замість К155ТШ – К555ТМ2. Діод VD1 може бути будь-яким кремнієвим імпульсним діодом. Величини резисторів R2, R4 – R6 і конденсатора С1 можуть відрізнятися від зображених на схемі на 30 відсотків, при цьому дещо зміниться частота генерується сигналу. Так як перед вимірюванням проводиться калібрування перетворювача, то це зміна буде врахована. Конструкція перетворювача не має значення. Можна використовувати друковану плату, можна поєднати всі елементи використовуючи навісний монтаж. Програма 1.5 дозволяє вимірювати постійні напруги.

Програма 1.5.

10 CLEAR 65300: DIM A(64)

12 INPUT “FREQUENCY OF QUARTZ -“;Q

13 LET K=Q/14

15 LET N=1

16 LET KD=N

20 FOR I=1 TO 64

30 READ A(l): POKE (65300+1),A(I)

40 NEXT I

50 DATA 243,1,0,0,17,141,55,219

60 DATA 254,203,119,40,10,0,0,0

70 DATA 19,122,183,32,242,24,7,0

80 DATA 19,3,122,183,32,8,33,85

90 DATA 255,112,35,113,251,201,219,254

100 DATA 203,119,40,10,0,0,0,19

110 DATA 122,183,32,211,24,232,0,0

120 DATA 0,19,122,183,32,232,24,222

130 PRINT AT 9,6;”FREQUENCY:”;AT 9,26;”(Hz)”

135 PRINT AT 10,6;” 1:N” KD

140 OUT 254,7: RANDOMIZE USR 65301

150 LET F=256*PEEK 65365+PEEK 65366-1

160 IF F<0 THEN LET F=0

170 PRINT AT 9,16;” *;AT 9,16;INT((F”K”KD)/0.951)

175 PRINT AT 12,6; "VOLT:"; AT 12,16; ""; AT 12,16; (388 – INT (F * K * KD) / 0.951) "0.0519

180 GO TO 140

Для правильної роботи програми – вольтметра необхідно провести установку нуля і калібрування. Установка нуля проводиться таким чином. Вхід перетворювача закорачівается і зчитується значення частоти. Це значення (у нашому випадку вийшло 38 8) підставляється в рядок 175. Далі на вхід перетворювача подається точно виміряний напруга U в діапазоні -10 +10 вольт і зчитується показання частотоміра. Після цього обчислюється коефіцієнт перетворення перетворювача напруга – частота за формулою:

Knn = U/(fo-f)

де fo – частота при закороченном вході; f – частота при поданому напрузі U; U – напруга на вході.

У нашому випадку при подачі 10.0 У отримали частоту 195 Гц. Тоді коефіцієнт перетворення буде дорівнює:

Кпп = 10 / (388 – 195) = 0.0519

Це значення також використовується в рядку 175. Необхідно відзначити, що при підвищенні частоти, на якій працює перетворювач, зменшується дискретність вимірювання, тобто підвищується точність. Для підвищення частоти можна зменшити ємність конденсатора С1. Необхідно, однак, пам'ятати, що частотомір може вимірювати частоти до 3 КГц.