ПНЧ с заданной амплитудой (ПНЧ ЗА)

Такие ПНЧ, как и ПНЧ ЗТ, работают по принципу двухтактного интегрирования и основаны на изменении направления интегрирования в разных тактах. Поэтому их иногда называют ПНЧ с изменением направления интегрирования.

Направление интегрирования в таких ПНЧ меняется на противоположное при достижении интегратором некоторого напряжения U_max, характеризующего размах выходного напряжения. При этом первый такт заканчивается, когда напряжение на выходе интегратора достигнет заданного уровня U_m, а второй такт – когда это напряжение возвратится к исходному значению.

Длительность первого такта определяется выражением

,

а длительность второго такта

,

где t – постоянная времени интегратора; U₁, U₂ – напряжения, поданные на вход интегратора в первом и во втором тактах соответственно.

Чаще всего в таких ПНЧ выполняется условие: U₁ = U_ВХ; U₂ = – U_ВХ или U₁ = U_ВХ; U₂ = U_ВХ – U₀, где U_0­ – опорное напряжение.

В общем виде для таких ПНЧ уравнение преобразования записывается следующим образом:

.

Для реализации ПНЧ с U₁ = U_ВХ, U₂ = – U_ВХ частота выходного сигнала

.

Для реализации ПНЧ с U₁ = U_ВХ, U₂ = U_ВХ – U₀ частота на выходе

.

В интегральном исполнении ПНЧ ЗА не выпускаются. Функциональная схема ПНЧ данного типа, выполненная на дискретных элементах, с применением интегрального таймера NE555 приведена
на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Функциональная схема ПНЧ ЗА

 

Работа схемы происходит следующим образом. В начале 1-го такта интегрирования ключ S1 разомкнут и на неинвертирующий вход ОУ интегратора через резистивный делитель с номинальными сопротивлениями R подается напряжение . На инвертирующий вход подается напряжение .

При этом напряжение U_И на выходе DA1 начинает линейно убывать, т.к. результирующее напряжение на инвертирующем входе (считая напряжение на неинвертирующем входе равным нулю).

Как только это напряжение достигнет уровня , на выходе таймера DA2 установится логическая "1". При этом ключ S1 замкнется на землю, и на инвертирующий вход ОУ DA1 будет поступать напряжение . В результате напряжение U_И будет линейно возрастать.

Как только это напряжение достигнет уровня , на выходе таймера DA2 установится логический "0", размыкающий ключ S1.

Получим выражение для выходной частоты f_ВЫХ данного ПНЧ.

В первом такте интегрирования Т₁ напряжение, создающее ток через конденсатор, составит . Отсюда напряжение на конденсаторе интегратора с учетом знака:

Следовательно, длительность первого такта

Во втором такте Т₂ знак напряжения на конденсаторе интегратора меняется на противоположный, а напряжение, создающее ток через конденсатор, составит . Следовательно, напряжение на конденсаторе интегратора

Отсюда длительность второго такта

Период выходного сигнала схемы

Следовательно, уравнение преобразования схемы будет иметь вид

Из уравнения преобразования ПНЧ видно, что для получения точной характеристики преобразования необходимо использовать прецизионные резисторы и конденсатор.

Достоинство такого ПНЧ: если заменить таймер NE555 двумя быстродействующими компараторами с разными порогами срабатывания, то быстродействие схемы будет очень высоким (потенциально может быть достигнуто значение выходной частоты до 300 МГц).

Недостаток данного ПНЧ: должно точно соблюдаться соотношение сопротивлений резисторов, указанное на рис. 2.13. Несоблюдение этого соотношения приведет к росту погрешности линейности преобразования.

Данная схема может преобразовывать как положительное, так и отрицательное входное напряжение. Приведенная на рис. 2.13 схема ориентирована на преобразование положительного входного напряжения. При изменении знака U_ВХ необходимо инвертировать сигнал управления ключа S.

 

ПНЧ с заданным интегралом непрямоугольного
компенсирующего импульса (ПНЧ ЗИ)

Принцип действия таких ПНЧ основан на том, что интеграл компенсирующего импульса задается в них без предварительного формирования опорного интервала времени.

Одним из способов получения компенсирующего импульса является перезаряд конденсатора. Так, если конденсатор С заряжен до некоторого напряжения U₀, то его заряд

q = C × U₀.

Если конденсатор С разрядить через резистор R, то площадь (интеграл) импульса напряжения на этом резисторе будет

S = q × R = C × U₀ × R.

Следовательно, если интеграл компенсирующего импульса равен S, то частота перезаряда конденсатора

f = U_BX/S.

С учетом выражения получаем частоту перезаряда (или выходную частоту ПНЧ ЗИ):

где U₀ – опорное напряжение ПНЧ.

Один из вариантов реализации функциональной схемы ПНЧ ЗИ приведен на рис. 2.14.

В состав схемы входит интегратор, выполненный на базе операционного усилителя DA1, триггер Шмитта на базе ОУ DA2 и узел формирования компенсирующего импульса на базе конденсатора С2 и аналогового ключа S1.

Компенсирующий импульс образуется за счет разряда конденсатора С2 через резистор R4 во втором такте. Предварительно в первом такте конденсатор С2 заряжается до напряжения –U₀.

В результате средний ток от источника входного сигнала за период Т_ВЫХ преобразования оказывается скомпенсированным средним током разряда конденсатора т.е.

Тогда уравнение преобразования ПНЧ ЗИ, выполненного по схеме, приведенной на рис. 2.14, будет иметь вид:

Рис. 2.14. Функциональная схема ПНЧ ЗИ

 

Достоинство ПНЧ ЗИ: высокое быстродействие (определяется быстродействием ключа S1 и операционных усилителей) и небольшое число источников погрешностей.

Недостаток ПНЧ ЗИ: низкая помехозащищенность.