Преобразователь частоты в напряжение

В 1987 году в журнале «Радио» в разделе «Обмен опытом» была опубликована схема преобразователя частоты в напряжение (рис.1) [1]. Помнится, что очень хотелось собрать на ней частотомер, но как-то всё не получалось найти нужные транзисторы и схема так и осталась непроверенной.

Рис.1

Прошло много лет, всё забылось, а вот недавно понадобилось контролировать частоту на достаточно большом промежутке времени и сразу, вдруг, вспомнился тот преобразователь. А это значит, что пришло время его собирать…

Принцип работы перепечатывать из статьи не буду, приведу часть отсканированного текста (рис.2).

Рис.2

В схеме, непонятно почему, конденсатор С7 стоит «минусом» в общий провод, хотя понятно, что при подаче на инвертирующий вход операционного усилителя положительного напряжения на его выходе получается отрицательное. Давайте, будем считать это банальная опечатка и просто учтём её на будущее.

Указанные в статье полевые транзисторы сейчас уже можно не искать – есть удобные мультиплексоры аналоговых сигналов – например, 74HC4052. Операционный усилитель тоже лучше использовать более современный, а если же взять «спаренный», то после дополнительного каскада инверсии на выходе можно получить более удобное и привычное положительное напряжение.

Немного посидев с паяльником и макетной платой, получилась схема, показанная на рисунке 3, где входной синусоидальный сигнал преобразуется триггером Шмитта 74HCT14 (DD1) в прямоугольный, который управляет ключами мультиплексора 74HC4052 (DD2). Алгоритм их переключения таков, что при низком уровне на выводе 9 замкнут «верхний ключ» (13 и 12 выводы) и разомкнут «нижний» (3 и 2 выводы), а при высоком уровне на выводе 9 всё наоборот - разомкнут «верхний» и замкнут «нижний». Зарядный ток конденсатора преобразуется в напряжение и фильтруется на операционном усилителе ОР1.1, проходит через НЧ фильтр R6C5 и затем инвертируется и дополнительно фильтруется на ОР1.2.

Рис.3

Стабилизаторы напряжений питания VR1 и VR2 выбраны 5-тивольтовыми исходя из того, что в схеме стоит микросхема с 5-ти вольтовым питанием – 74HCT14. Можно, конечно, использовать только VR1, запитав от него микросхемы DD1 и DD2, а ОР1 питать от цепей +/-12 В и, тогда, изменив коэффициент усиления каскада на ОР1.2, можно получить большее выходное напряжение. При той же схемотехнике, что показана на рисунке 3, на выходе ОР1.2 получается +3,5 В при входной частоте 700 Гц («прирост» напряжения по 0,5 В на каждые 100 Гц).

При проверке работоспособности применялась программа SpectraPLUS, имеющая в себе утилиту генератора сигналов. На рисунке 4 тремя участками по пять минут показано состояние выходного напряжения при «линейном» изменении входной частоты от 0,1 Гц до 700 Гц.

Рис.4

Была проверена работа и с другими параметрами изменения частоты – на рисунке 5 результат «обратный по частоте» (т.е. от 700 Гц до 0,1 Гц), а на рисунке 6 – с логарифмической зависимостью изменения частоты. Графики сделаны при меньших временных интервалах.

Рис.5

Рис.6

На относительно больших скоростях свипирования заметны искажения фронтов в моменты резкого изменения частоты (рис.7), причина которых кроется в больших временных постоянных фильтров низких частот. Простое уменьшение номинальных значений конденсаторов С4, С5 и С10 проблему с искажениями фронтов несколько уменьшает, но тогда появляется проблема с плохой фильтрацией пульсаций сигналов на самых низких частотах. В данном случае проблема «затяжки» фронта решается выбором бОльшего времени свипирования.

Рис.7

Чувствительность преобразователя около 0,85 В на частотах выше 10 Гц, но на частотах ниже зависит как от ёмкости разделительного конденсатора на выходе звуковой карты, так и от параметров входной цепи самого преобразователя. В связи с этим возможно изменение скважности при преобразовании входного сигнала в прямоугольник и чтобы его исключить, в схему следует добавить триггер DD3 (рис.8), делящий частоту сигнала в два раза и этим преобразующий его в сигнал с одинаковой длительностью «нулевого» и «единичного» состояний (меандр). Естественно, в этом случае для получения тех же значений выходных напряжений, входящая частота должна быть в два раза выше.

Рис.8

В приложении к тексту есть файл печатной платы в формате программы Sprint-Layout с разводкой под дополнительную микросхему 74HC74. Размер платы 60х45 мм, все детали установлены с одной стороны (рис.9 и рис.10), фольга на другой стороне используется как общий провод. Вид сделан со стороны печати, при ЛУТ нужно выбирать опцию «Зеркально».

Рис.9

Рис.10

Детали применены как для поверхностного монтажа, так и обычные выводные.

Стабилизаторы напряжений питания можно использовать и маломощных версий, с буквой «L» - просто здесь установлены те, которых было больше в наличии.

«Зарядный» конденсатор С3 в макетной плате использовался smd-шный 0805 Y5V , а в окончательном варианте был установлен плёночный «зелёный» китайский безымянный (виден на рис.10) - разницы в преобразовании замечено не было.

Конденсаторы С4 и С10 - неполярный, взяты из какой-то компьютерной акустики. Можно использовать и обычные полярные электролитические конденсаторы и тогда минусовой вывод С4 подключается к выводу 1 ОР1.1, а минусовой вывод С10 к выводу 6 ОР1.2.

Преобразователь, собранный с указанными номиналами элементов, в настройке не нуждается, но при внесении изменений или изменении условий, потребуется настройка. Например, если ёмкость конденсатора С3 взять 0,047 мкФ, то диапазон преобразуемых частот увеличится примерно вдвое. Также, если увеличить сопротивление R8 в два раза, то примерно настолько же увеличится и выходное постоянное напряжение. Питания операционных усилителей в этом случае следует брать +/- 12 В.

Литература
1. Журнал «Радио», 1987, №6, стр.46

Андрей Гольцов, г. Искитим

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Преобразователь напряжения