Преобразователь напряжения – частота или ПНЧ (VFC) – устройство для преобразования аналоговых сигналов в импульсные. На базе VFC-преобразователей построены аналого-цифровые преобразователи.
Кодирование аналоговых сигналов обеспечивает устойчивость к помехам, передачу сигнала на приемные устройства без искажений, простоту гальванической развязки. Такие преобразователи используютсядля измерения усредненных технологических параметров, генераторов импульсов различной формы и ширины, а также частотной модуляции.
VFC-преобразователи относятся типу интегрирующих и отличаются:
- Относительно низкой ценой.
- Минимальным нелинейным искажением.
- Высокой помехоустойчивостью.
- Точностью при небольшом количестве высокоточных элементов.
- Невысокой чувствительностью к изменению величины напряжения питания.
При подаче на вход напряжения ПНЧ, оно преобразуется в импульсы, следующие с частотой, прямо пропорциональной величине выходного сигнала.
Входное напряжение преобразуется в импульсы заданной частоты и формы, которые могут передаваться на значительные расстояния без искажений. Второе преобразование частоты в код осуществляется измерением количества импульсов за заданный промежуток времени. При кратности промежутка времени периоду основной помехи, она не оказывает влияние на точность измерение. Это свойство используется в приемных блоках измерительных приборов с термопар и других датчиков, подающих низкоуровневые сигналы.
В ПНЧ на базе микросхемы применяется метод интегрирования выходного напряжения с импульсной компенсацией заряда конденсатора. Для стабилизации и точности преобразования требуется добиться стабильности вольт-секундной характеристики импульсов обратной связи. Для этих целей служат кварцевые резонаторы, которые являются элементами синхронизированных схем VFC-преобразователей.
Схема преобразователя выполнена по принципу двойного интегрирования, обеспечивающего высокую точность в широком интервале напряжений.
Устройство состоит из усилителя постоянного тока УПТ, ключей управления К1 и К2, интегратора И, делителя частоты ДЧ, генератора импульсов ГИ, порогового устройства ПГ. Преобразование напряжения осуществляется таким образом: входной сигнал инвертируется и усиливается в блоке УПТ. Далее, через резистор R 1 поступает на вход интегратора. Напряжение на выходе блока И возрастает прямо пропорционально уровню входного сигнала, пока не достигает значения срабатывания порогового устройства.
На его выходе формируется сигнал, включающий генератор импульсов, попадающих на делитель частоты. При определенном их количестве, с ДЧ поступает сигнал, отпирающий ключи К1 и К2. Размыкание К1 обеспечивает поступление опорного напряжения. Открытие ключа К2 обеспечивает открытое состояние порогового устройство вне зависимости от уровня входного сигнала. Импульсы с генератора при этом продолжают приходить на делитель частоты. На выход ПНЧ поступают входное и опорное напряжение.
Завершается формирование выходного импульса ПНЧ изменением потенциала на выходе делителя частоты и запиранием ключей К1 и К2. После чего цикл повторяется.
Длительность такта зависит только от частоты импульсов с генератора и коэффициента деления частоты. При увеличении величины напряжения на входе, частота выходных импульсов ПНЧ возрастает.
Более высокую точность преобразования обеспечивает схема на базе кварцевого генератора тактовых импульсов.
Входное напряжение в таких преобразователях поступает на модулятор емкостного типа, где преобразуется в импульсы определенной длительности. Выходной сигнал формируется по фронту импульсов с кварцевого генератора. Длительность этих импульсов равна, задержка времени между сигналом с генератора и выходным импульсом составляет около 9 нс. На практике применяется множество схем преобразователей частота –напряжение. Выбор подходящего устройства зависит от технических характеристик ПНЧ и целей его применения.