2. Разработка структурной схемы

Рис. 1. Структурная схема преобразователя

U_ВХ - входной сигнал в виде прямоугольных импульсов положительной полярности.

t_{X max} - управляющий сигнал, устанавливающий максимальную длительность импульсов выходного сигнала.

К_У - управляющий сигнал, определяющий коэффициент усиления по напряжению, то есть обеспечивающий плавную регулировку U_вых В в пределах (0 - 10) В.

ИОН - источник опорного напряжения. УМ - усилитель мощности.

Разрабатываемый преобразователь можно представить в виде трёх основных блоков, последовательно обрабатывающих входной сигнал:

1) Блок интегрирования, запоминания и блок управления ключами - обеспечивают циклическую смену режимов (интегрирование, запоминание, сброс).

2) Блок генератора прямоугольных импульсов, управляемый напряжением. В зависимости от положения ключа S4 осуществляется преобразование t_X ~ U или f ~ U.

3) Усилитель, осуществляющий плавную регулировку U_вых в пределах (0 - 10)В и усилитель мощности, обеспечивающий необходимый выходной ток.

Рассмотрим функционирование первого блока.

Рис.2. Временные диаграммы работы блока интегрирования, запоминания и блока управления ключами

Блок функционирует по следующему алгоритму. Входной импульс подаётся на интегратор (DA1). По срезу входного импульса открывается ключ S2 и происходит заряд конденсатора С2 до напряжения на C1. После окончания процесса перезарядки S2 размыкается, а S1 замыкается, сбрасывая интегратор. Напряжение с C2 через буфер подаётся на другие блоки преобразователя. Таким образом, значение напряжения на выходе блока запоминания обновляется после прохождения входного импульса и остаётся неизменным во время пауз и интегрирования, что позволяет применять его в качестве входного сигнала в других блоках. Особое внимание при разработке следует уделить уменьшению паразитных токов, разряжающих C2, так как это ухудшает качество запоминания.

При управлении ключами блок управления опирается на напряжения в трёх точках: U_ВХ, 1, 2.

При включении U_ВХ = 0, в точке 3 - “1” , в точке R - “0”. U₁ = U₂ следовательно в точке 4 - “0”. На выходе RS-триггера DD3 Q - “1”. Поэтому S1 замкнут, S2 разомкнут. При поступлении входного импульса в точке 3 - “0”. S1 и S2 разомкнуты, начинается интегрирование входного импульса. После прохождения входного импульса происходит сравнение U₁ и U₂ .При их неравенстве происходит заряд C2 до напряжения C1. Как только U₁ = U₂ на вход S триггера DD3 подаётся “1”. На выходе устанавливается “1”. Так как в точке 3 - “1” то S2 разомкнут, S1 замкнут. Интегратор сбрасывается, а напряжение на С2 запоминается. Следующим входным импульсом триггер сбрасывается и процесс повторяется.

Рассмотрим функционирование блока генерации прямоугольных импульсов, управляемый напряжением.

В зависимости от способа подключения генератора входное напряжение генератора может быть пропорционально t_x или f. Рассмотрим сначала случай, когда преобразователь работает в режиме t_X ~ S (ключ S4 во втором положении).

Рис.3. Временные диаграммы генератора прямоугольных импульсов

В данном режиме U₇ = 0. При включении генератора начинается интегрирование постоянного напряжения - U_и, которое поступает с регулируемого источника опорного напряжения. От величины U_и зависит наклон прямой на выходе интегратора. При достижении напряжением U₅ значения входного напряжения U₆ на выходе компаратора DA7 появляется “1”, что устанавливает выход триггера DD6 в “1”. Ключ S3 замыкается и происходит сброс интегратора. При достижении U₅ значения напряжения U₇ на выходе компаратора DA8 появляется “1” и сбрасывает RS-триггер DD6, ключ S3 размыкается, начинается интегрирование. Цикл повторяется.

Уменьшение входного напряжения U₇ ведёт к уменьшению длительности импульса в точке 11. Так как интегрирование идёт с большой точностью, то зависимость t_x от U₇ линейна.

Чтобы генератор осуществлял преобразование f ~ U.входное напряжение подаётся на вход DA8 (точка 7), а на DA7 (точта 6) подаётся +U_п.

S4 в третьем положении. При увеличении U_вх частота выходного сигнала увеличивается. зависимость f от U_вх так же линейна.

В качестве усилителя напряжению применён ОУ в неинвертирующем включении.

В качестве усилителя мощности применён трёхкаскадный усилитель с единичной ООС. Дифференциальный каскад на входе позволяет реализовать ОС, а двухтактный эмиттерный повторитель на выходе обеспечивает необходимое быстродействие. Выходной каскад работает в режиме AB.