Преобразователи напряжение-частота (ПНЧ) являются популярным средством помехоустойчивого аналого-цифрового преобразования. Синхронные ПНЧ (такие, как AD652 компании Analog Devices), в которых синхронизацию процесса преобразования обеспечивают внешние, обычно кварцевые, генераторы, имеют значительные преимущества в характеристиках (скорость, линейность, точность, не зависящие от пассивных компонентов) по сравнению с автономными преобразователями, синхронизация которых, в конечном счете, зависит от постоянной времени RC.
Но характерным недостатком всех ПНЧ, как синхронных, так и асинхронных, является то, что они относительно медленны, поскольку выходная частота на максимуме полной шкалы и, следовательно, скорость преобразования для любого заданного разрешения преобразования ограничены аналоговыми переключателями, используемыми в процессе преобразования, скорость и точность которых по своей природе обратно пропорциональны друг другу. Схема, предложенная в этой статье (Рисунок 1), может обеспечивать высокую точность на частотах свыше 1 МГц за счет использования в качестве чрезвычайно быстрых аналоговых переключателей высокоскоростных КМОП логических устройств.
 | |
| Рисунок 1. | Быстродействующий синхронный ПНЧ. |
Вот как это работает.
D-триггер #1 микросхемы HC74 с операционным усилителем (ОУ) #2 микросхемы LMC6482 образуют контур обратной связи, работающий как компаратор с высоким разрешением, выход Q которого с высокой скоростью (задержки в HC74 составляет наносекунды) переключается между 0 и 5 В в соответствии с изменениями состояний 0/1 выхода операционного усилителя, происходящими при тактировании триггера. Таким образом, управляемый петлей обратной связи коэффициент заполнения DC1 импульсов триггера усредняется по времени цепочкой R1C3, напряжение на которой равно
и
Однако источник питания цифровых цепей – плохой выбор для опорного напряжения преобразователя, поэтому, если бы на этом история заканчивалась, ожидать большой точности ПНЧ было бы нельзя. Нужна какая-то хитрость, чтобы компенсировать неизбежную неточность и шумы шины питания +5 В.
Необходимая компенсация обеспечивается триггером #2, реализующим другую петлю обратной связи.
D-триггер #2 включен ждущим мультивибратором, запускаемым импульсами FCLK, который подает на усредняющую цепь R4C4 5-вольтовые импульсы длительностью TP, определяемой цепочкой R2, R3, C1 и операционным усилителем #1.Усредненное напряжение равно
Сравнивая это среднее значение с VREF, ОУ #1 управляет длительностью TP:
Поскольку оба триггера находятся на одном кристалле, параметры, влияющие на точность, такие как задержки распространения, времена переключения и напряжения смещения, будут очень похожими и хорошо отслеживать друг друга при изменении температуры и напряжения питания, что делает компенсацию очень эффективной.
Эти импульсы длительностью TP становятся опорной частотой для триггера #1. Таким образом
что дает (наконец-то) желаемую классическую формулу преобразования для синхронного ПНЧ:
Помимо высокой скорости, получившийся ПНЧ обладает некоторыми другими полезными характеристиками. Это касается хорошей линейности, широкого диапазона допустимых значений VREF от 1 до 4 В, диапазона тактовых частот FCLK от 500 кГц до 3 МГц, возможности работы от однополярного источника питания от 3 до 6 В, низкой потребляемой мощности (около 10 мВт), очень высокого входного импеданса (например, токи по входам VIN и VREF составляют менее 1 пА) и отсутствия критических или высокоточных пассивных компонентов.
И наконец, все необходимые компоненты просты, легкодоступны и дешевы. Общая стоимость компонентов составляет порядка $10, в то время как аналогичный по скорости преобразователь AD652 сам по себе стоит примерно $40.