Convertor frecvență - tensiune

Tema de proiectare

Sa se proiecteze un convertor frecventa-tensiune care sa primeasca un semnal dreptunghiular de intrare cu nivelele 0 - 5V si factor de umplere 50%. Frecventa acestuia trebuie sa fie intre 500Hz si 12 kHz si corespunzator acestui interval de frecventa la iesire va aparea un interval de tensiune -5V - +5V.

Introducere

Elementele de automatizare, ca de altfel şi multe alte elemente cunoscute în tehnică, cuprind în structura lor unul sau mai multe subelemente de „convertire“, adică de transformare a unei mărimi în altă mărime, dependentă de aceasta.

În automatică, noţiunea de convertor este atribuită unor subelemente realizate fie sub o formă independentă, fie incluse în structura unor elemente complexe (traductoare, regulatoare etc.) şi care au, de exemplu, rolul de a transforma un semnal unificat electric într-un semnal unificat pneumatic (convertor electropneumatic), sau o mărime analogică într-una numerică (convertor analog-numeric) etc.

În scopul măsurării mărimilor fizice ce intervin într-un process tehnologic, este necesară de obicei convertirea (,,traducerea“) acestora în mărini de altă natură fizică care pot fi introduse cu uşurinţă într-un circuit de automatizări (de exemplu, o temperatură poate să influenţeze un circuit de automatizări numai dacă este convertită (tradusă) într-o tensiune electrică proporţională sau dependentă de temperatura respectivă).

Convertoare de frecvenţă-tensiune (FVC), sunt utilizate în instrumente de măsurare digitale, sisteme de date şi măsurare, etc, trebuie să fie fiabile, rapide, simple fiabile si simplu de ajustat.

Consideratii teoretice

Fronturile semnalului de la intrarea in circuit sunt transformate in impulsuri a caror forma este prezentata in figura simularii. Latimea acestora poate fi ajustata prin valoarea constantei de timp a circuitului derivator τ = R * C

Circuitul de derivare este un circuit trece sus care atunci cand este atacat de un semnal dreptunghiular produce impulsuri ascutite (spike-uri) de inalta frecventa. Figura 1 prezinta un derivator R-C. Condensatorul C per¬mite trecerea componentelor de frecventa inalta prin el. Apoi conden¬satorul incepe sa se incarce pana la 5 V.

Figura 1

In cazul in care constanta de timp (pro¬dusul dintre R si Q este mica in com¬paratie cu durata palierului, condensatorul se va incarca mult mai repede decat se va produce sosirea urmatorului front. Cand condensatorul este complet incarcat, tensiunea pe rezistenta, adica tensiunea de iesire, este zero. Frontul cazator reprezinta o cadere de 5 V care fiind de frecventa mare, va trece prin condensator aducand tensiunea de iesire la -5 V. Condensatorul incepe apoi sa se incarce la -5 V si datorita constantei mici de timp, el va fi complet incarcat, cu iesirea ajungand la zero, mult inaintea sosirii urmatorului front de frecventa inalta si asa mai departe.

Integratorul este un filtru trece jos. Figura 2 arata un inte¬grator R-C. Constanta de timp este τ = R * C. La primul front crescator de la intrare condensatorul incepe sa se incarce la +5 V. In cazul in care constanta de timp a circuitului este mare in comparatie cu perioada semnalului de intrare, frontul cazator soseste cu mult inaintea incarcarii complete a condensatorului Frontul cazator va incerca sa incarce condensatorul in sens negativ. Din nou, datorita constantei mari de timp, frontul crescator va sosi inaintea incarcarii complete a condensatorului si asa mai departe. Forma de unda de la iesire va fi prin urmare triunghiulara, având o amplitudine mică în comparaţie cu intrarea, sau in cazul constantelor mari de timp semnalul de la iesire poate fi considerat o tensiune continua.