CS266037B1 - Jednoduchý převodník čísla na kmitočet - Google Patents

Abstract

Zapojení se týká jednoduchého převodníku čísla na kmitočet. Podstatou řešení je, že vstupní kódová kombinace odpovídající převáděnému číslu se přivádí na číslicový vstup číslicově analogového převodníku, jehož proudový výstup se přepíná pomocí elektronického přepínače. Jestliže je proudový výstup číslicově analogového převodníku připojen elektronickým přepínačem k invertujícímu vstupu druhého operačního zesilovače je výstupním proudem číslicově analogového převodníku přímo nabíjen kapacitor zapojený ve zpětné vazbě druhého operačního zesilovače. Po přepnutí elektronického přepínače je obvodem sestávajícím z prvního operačního zesilovače, zpětnovazebního rezistoru a z rezistoru převeden výstupní proud číslicově analogového převodníku na proud opačné polarity a proto dochází k vybíjení kapacitoru. Přepínání elektronického spínače je řízeno komparátorem s hysterezí, který sleduje výstupní napětí druhého operačního zesilovače tak, aby po dosažení horní’komparační úrovně v režimu nabíjení kapacitoru došlo k následnému vybíjení kapacitoru po dobu, kdy napětí dosáhne opět dolní komparační úrovně. Celý děj se neustále opakuje, přičemž kmitočet trojúhelníkových kmitů na první výstupní svorce i kmitočet pravoúhlých kmitů na druhé výstupní svorce je přímo úměrný kódové kombinaci přiváděné na číslicový vstup číslicově analogového převodníku. Zapojení má obecné využití pro přístrojové a průmyslové aplikace se středními nároky na přesnost převodu čísla na kmitočet. Zejména je zapojení vhodné pro konstrukci programovatelných zdrojů kmitočtu pro řízení krokových motorů.

Description

Vynález se týká jednoduchého převodníku čísla na kmitočet.

Je známo několik způsobů převodu čísla na kmitočet. U prvního z nich se převede nejprve vstupní kódová kombinace odpovídající dekadickému číslu na napětí v číslicově analogovém převodníku a pak se toto napětí převede na kmitočet v převodníku napětí na kmitočet.

Nevýhodou tohoto uspořádání je obvodová složitost a cenová náročnost. Číslicově analogové převodníky jsou totiž obvykle konstruovány s přímým proudovým výstupem, např. převodníky čs. produkce MDACO8, MDAC565, MDAC566 a je zapotřebí převést jejich výstupní proud na napětí vnějším operačním zesilovačem, který je zapojen jako převodník proudu na napětí. Výstupní napětí převodníku je pak nutno převést v dalším převodníku na kmitočet.

Druhý způsob převodu čísla na kmitočet umožňují kmitočtové syntezátory. V současné době se nejčastěji užívají syntezátory se smyčkou fázového závěsu, které obsahují zdroj referenčního kmitočtu, programovatelný dělič kmitočtu, napětím řízený oscilátor, fázově kmitočtový detektor a popř. i výstupní děliče kmitočtu. V omezené míře se užívá také tzv. přímá kmitočtová syntéza.

Nevýhodou kmitočtových syntezátorů je taktéž obvodová složitost a vysoká cenová náročnost .

Jsou známa také uspořádání převodníků, která využívají nabíjení kapacitoru v integrátoru z proudového výstupu číslicově analogového převodníku. Výstupní napětí integrátoru se srovává v komparátoru s komparační úrovní. Po dosažení komparační úrovně je k rezistoru zapojenému do sčítacího bodu integrátoru připojen po definovanou dobu určenou časovou konstantou monostabilního klopného obvodu zdroj referenčního napětí, čímž dojde k vybíjení integračního kapacitoru. Celý dej se periodicky opakuje, přičemž kmitočet impulsů na výstupu monostabilního klopného obvodu je přímo úměrný kódové kombinaci na číslicovému vstupu číslicově analogového převodníku. Podobné uspořádání využívá k vybíjení integračního kapacitoru zdroje referenčního proudu. Při požadavku na vyšší přesnost převodu se monostabilní klopný obvod v některých případech nahrazuje Časovacím obvodem, u kterého je doba generovaného impulsu odvozena od kmitočtu oscilátoru řízeného krystalem.

I když tato uspořádání se vyznačují relativní jednoduchostí, nemusí ve všech případech vyhovovat, zejména pokud se sleduje nízká cenová náročnost zařízení. U převodníků s časovacím obvodem je nutno navíc úžit oscilátor řízený krystalem. Uvedené typy převodníků nelze také použít v Číslicově řízených funkčních generátorech, protože střída trojúhelníkových kmitů na výstupu integrátoru i střída pravoúhlých kmitů na výstupu monostabilního či časovací ho obvodu není 1:1.

Uvedené nevýhody do určité míry odstraňuje zapojení jednoduchého převodníku čísla na kmitočet, jehož podstatou je, že vstupní kódová kombinace odpovídající převáděnému číslu se přivádí na číslicový vstup číslicově analogového převodníku, jehož přímý proudový výstup je spojen se vstupem elektronického přepínače. První výstup elektronického přepínače je spojen s invertujícím vstupem prvního operačního zesilovače, který má mezi invertující vstup a výstup připojen zpětnovazební rezistor. Přitom neinvertující vstup prvního operačního zesilovače je spojen se společným vodičem a jeho výstup pak s rezistorem, jehož druhý konec je spojen s invertujícím vstupem druhého operačního zesilovače. Tamtéž je připojen také druhý výstup elektronického přepínače a mezi invertující vstup druhého operačního zesilovače a jeho výstup je zapojen kapacitor. Neinvertující vstup tohoto operačního zesilovače je připojen ke společnému vodiči a jeho výstup pak je spojen jednak s první výstupní svorkou a jednak se vstupem komparátoru s hysterezí.

Výstup komparátoru s hysterezí je spojen s řídicím vstupem elektronického přepínače a také s druhou výstupní svorkou.

Výhodou zapojení jednoduchého převodníku čísla na kmitočet je cenová nenáročnost při zachování dostatečné přesnosti převodu. V daném případě nedochází ke snižování přesnosti v důsledku mezipřevodu výstupního proudu číslicově analogového převodníku na napětí a jeho následnému převodu na kmitočet, protože výstupní proud číslicově analogového převodníku se převede přímo na kmitočet. Příhodné také je, že na přesnost převodu nemá vliv konečný odpor elektronického přepínače v sepnutém stavu, ani změny tohoto odporu v závislosti na protékajícím proudu či na okolní teplotě, protože na těchto veličinách z hlediska přepínání výstupního proudu číslicově analogového převodníku příliš nezáleží. Navíc lze převodník velmi jednoduše použít jako základní stavební jednotku v číslicově řízených funkčních generátorech, protože střída trojúhelníkových kmitů na prvním výstupu i střída pravoúhlých kmitů na druhém výstupu je 1:1.

Vynález je v dalším blíže popsán podle přiloženého výkresu, na němž je znázorněno příkladné provedení jednoduchého převodníku čísla na kmitočet. .

Vstupní kódová kombinace odpovídající převáděnému číslu se přivádí na Číslicový .vstup číslicově analogového převodníku 2· Přímý proudový výstup číslicově analogového převodníku 1 je spojen se vstupem elektronického přepínače 2· První výstup elektronického přepínače 2 je spojen s invertujícím vstupem prvního operačního zesilovače který má mezi invertující vstup a výstup připojen zpětnovazební rezistor 2· Přitom neinvertující vstup prvního operačního zesilovače 5 je spojen se společným vodičem £ a jeho výstup pak s rezistorem 6, jehož druhý konec je spojen s invertujícím vstupem druhého operačního zesilovače 2·

Tamtéž je také připojen druhý výstup elektronického přepínače 2 a mezi invertující vstup druhého operačního zesilovače 2 ^a jeho výstup je zapojen kapacitor 2· Neinvertující vstup druhého operačního zesilovače 2 3^e připojen ke společnému vodiči £ a jeho výstup pak je spojen jednak s první výstupní svorkou 10 a jednak s vstupem komparátoru 2 ^s hysterezí. Výstup komparátoru 2 ^s hysterezí je spojen s řídicím vstupem elektronického přepínače 2 a také s druhou výstupní svorkou 11.

V činnosti se na číslicový vstup číslicově analogového převodníku 2 přivede kódová kombinace D odpovídající převáděnému číslu. Použijeme-li příkladně pro realizaci jednoduchého převodníku čísla na kmitočet podle vynálezu desetibitový binární číslicově analogový převodník, bude číslicově analogový převodník 2 dodávat proud

I = I '

024 R' kde D,„ je dekadický ekvivalent desetibitového binárního čísla D z intervalu celých čísel 10 0 až 1 023 a I je vnitřní referenční proud číslicově analogového převodníku £. Při činnosti převodníku se periodicky střídají intervaly napájení kapacitoru £ kladným a záporným proudem. Přechod z jednoho režimu do druhého obstarává elektronický přepínač 2, jehož činnost je řízena komparátorem £ s hysterezí podle úrovně napětí na výstupu druhého operačního zesilovače £. Předpokládejme nejprve, že přímý proudový výstup číslicově analogového převodníku 1 je elektronickým přepínačem 2 připojen k invertujícímu vstupu'druhého operačního zesilovače £. Potom napětí na výstupu tohoto operačního zesilovače roste lineárně s časem podle rovnice u(t) = U_D + ít, kde 1>_D je dolní úroveň komparačního napětí komparátoru £ s hysterezí, I výstupní proud číslicově analogového převodníku £, C kapacita kapacitoru £ a t značí čas. Jakmile toto napětí dosáhne horní úrovně komparačního napětí U_H komparátoru £ s hysterezí, dojde k překlopení k komparátoru £ a tudíž i k přepnutí elektronického přepínače 2. Doba potřebná k tomu, aby výstupní napětí druhého operačního zesilovače £ přešlo z úrovně na úroveň je dána vztahem ^T1 = ^(UH - ^UD> ^C/I' přičemž význam jednotlivých veličin je shodný jako v předchozím. Následuje druhá fáze děje. Výstupní napětí druhého operačního zesilovače 2 ^s časem lineárně klesá podle rovnice ^H1 I . ^U(t> = °H kde značí odpor zpětnovazebního rezistoru 2* ^R2 ^odP^or rezistoru a význam zbývajících veličin zůstává v platnosti. Výstupní napětí druhého operačního zesilovače _8 přejde z horní komparační úrovně na dolní komparační napětí za dobu

T₉ = (U„ - UJR.C/R.!, Z π D Z ± přičemž význam veličin je shodný jako v předchozí rovnici. Po dosažení dolní úrovně komparačního napětí komparátoru 2 ³ hysterezí reaguje opět tento překlopením své výstupní úrovně. Elektronický přepínač se přepne do výchozí polohy a celý děj se opakuje. Budeme-li předpokládat, že odpory zpětnovazebního rezistoru 2 ^a rezistoru 6 jsou shodné, tj . = R₂, můžeme na základě předchozích úvah odvodit, že se děj opakuje s periodou

T = 2 (U„ - ϋ_η) C/I. Π D

Z výkladu činnosti je zřejmé, že z prvního výstupu 10 lze proti společnému vodiči _4 odbírat trojúhelníkové kmity a z druhého výstupu 11 pak pravoúhlé kmity. Kmitočet výstupních kmitů f je přímo úměrný dekadickému ekvivalentu D_1Q kódové kombinace D podle vztahu

048 (U_u - U^) C ^ιυ H D kde význam jednotlivých veličin byl objasněn dříve. Zvolíme-li navíc U-, =-U._T a použijeme-li D ti komparátor ,9 s hysterezí se symetrickým výstupním napětím, lze zapojení jednoduše použít jako číslicově řízený funkční generátor, protože z prvního výstupu 10 můžeme odebírat symetrické trojúhelníkové kmity a z druhého výstupu 11 pak symetrické pravoúhlé kmity se střídou

1:1. Jako komparátor 2 ^s hysterezí lze v zapojení použít např. integrovaný časovač typového označení 555.

Jednoduchý převodník čísla na kmitočet podle vynálezu má obecné využití a je ho možno s výhodou aplikovat všude tam, kde je zapotřebí jednoduchý způsob přímého převodu čísla na kmitočet. Zejména lze jednoduchý převodník čísla na kmitočet podle vynálezu pro přístrojové a průmyslové aplikace, např. pro konstrukci programovatelných zdrojů kmitočtu pro řízení krokových motorů.

Claims (1)

1. Jednoduchý převodník čísla na kmitočet, vyznačující se tím, že výstup kódové kombinace odpovídající převáděnému číslu je připojen na číslicový vstup číslicově analogového převodníku (1), jehož přímý proudový výstup je spojen se vstupem elektronického přepínače (2), když první výstup elektronického přepínače (2) je spojen s invertujícím vstupem prvního operačního zesilovače (5), který má mezi invertující vstup a výstup připojen zpětnovazební rezistor (3), přičemž neinvertující vstup prvního operačního zesilovače (5) je spojen se společným vodičem (4) a jeho výstup pak s rezistorem (6), jehož druhý konec je spojen s invertujícím vstupem druhého operačního zesilovače (8), k němuž je současně připojen také druhý výstup elektronického přepínače (2) a mezi invertující vstup druhého operačního zesilovače (8) a jeho výstup je zapojen kapacitor (7), přičemž neinvertující vstup druhého operačního zesilovače (8) je připojen ke spolenému vodiči (4) a jeho výstup pak je spojen jednak s první výstupní svorkou (10) a jednak se vstupem komparátoru (9) s hysterezí, jehož výstup je spojen jednak s řídicím vstupem elektronického přepínače (2) a jednak s druhou výstupní svorkou (11).