CONVERTITORE TENSIONE FREQUENZA V/F

La figura 1 illustra la tipica struttura circuitale di un convertitore V/F e la figura 2 la relativa temporizzazione. Nella figura 1 è indicato anche lo stadio di uscita Open Collector schematizzato mediante un transistor e la resistenza di pull-up generalmente presente nelle varie soluzioni integrate di questi convertitori.

Fig. 1 Struttura circuitale del V/F

Questi dispositivi accettano al proprio ingresso una tensione analogica e producono in uscita un segnale impulsivo la cui Frequenza è direttamente proporzionale all'ampiezza del segnale applicato in ingresso.

Fig. 2 Temporizzazione del V/F

Come si nota, il convertitore in esame richiede l'applicazione di tre tensioni (oltre a quella di alimentazione):

1. V_in: è il segnale di ingresso, che deve essere positivo e costante (almeno per il tempo necessario alla rilevazione della frequenza del treno di impulsi in uscita).

2. V_REF: è la tensione di riferimento applicata all'ingresso non invertente del comparatore. Nella struttura di figura (ne sono possibili altre) V_REF deve essere negativa e affabilmente costante. Nelle realizzazioni integrate questa tensione è fornita da un generatore di tensione di riferimento interno al convertitore.

3. V_R: è la tensione necessaria a pilotare il generatore di corrente affinché questo generi il giusto valore di I_S

Il funzionamento del convertitore è il seguente.

• Il deviatore S è pilotato dal segnale di uscita del monostabile, cioè da V_out in modo tale che quando V_out è BASSA il deviatore S è collegato a massa e quando V_out è ALTA il deviatore viene collegato al generatore di corrente. Poiché lo stato stabile del monostabile è il livello BASSO, il deviatore S risulta inizialmente collegato a massa. In queste condizioni, applicando in ingresso la tensione V_in1 l'integratore invertente produce come uscita V_C il segnale:

V_C = - (V_in1/RC)t

Tale segnale è una rampa decrescente.

• Mediante il comparatore, il segnale v_C viene confrontato continuamente con V_REF. L'uscita V_M del comparatore rimane BASSA fino a quando |v_C| <| V_REF| cioè fino a quando la rampa decrescente non raggiunge - V_REF.

• Nell'istante in cui v_C raggiunge - V_REF l'uscita V_M del comparatore commuta a livello ALTO. Poiché V_M costituisce il segnale di trigger del monostabile, sensibile al fronte di salita, quest'ultimo, nello stesso istante, commuta e la sua uscita si porta nello stato instabile a livello ALTO. La durata dello stato instabile è t_w, e viene fissata dalla rete di temporizzazione del monostabile. Ne deriva che tw, è sempre costante.

• Il livello ALTO di v_OUT pilota la commutazione di S che, di conseguenza, sempre nello stesso istante, viene collegato al generatore di corrente I_S. Questo generatore è pilotato dalla tensione -V_S in modo tale che il valore di I_S risulti sempre maggiore della corrente di ingresso I_in = V_in/R (ciò si ottiene definendo il valore massimo ammissibile per V_in e dimensionando -V_S, cioè I_S in relazione al suddetto valore massimo).

• A partire dall'istante di commutazione di S la corrente nel condensatore diventa I_c = I_in1-I_S=(V_in1 / R)- I_S

Tale corrente è costante e di verso opposto a quello di I_in1 Il condensatore, quindi, si scarica con corrente costante.

• La scarica a corrente costante del condensatore produce all'uscita dell'integratore una tensione v_C il cui andamento è ora quello di una rampa crescente. In tal modo viene ripristinata la condizione |v_C| <| V_REF| e, di conseguenza, l'impulso di trigger V_M finisce (V_M ritorna a livello BASSO). Questo impulso, quindi, ha una durata brevissima ma sufficiente per innescare il monostabile.

• La rampa crescente si protrae per tutto l'intervallo t_w (costante) del monostabile innescato.

• Al termine di t_w il monostabile commuta automaticamente riportando la propria uscita V_OUT a livello BASSO. Questo livello pilota la commutazione a massa di S

• In questo istante vengono ripristinate le condizioni iniziali e, quindi, il ciclo descritto si ripete.

Esaurito il transitorio iniziale, si osserva che la durata della rampa decrescente, cioè l'intervallo t_D di integrazione dell'ingresso V_in1 è costante per la durata di applicazione dell'ingresso da convertire (cioè V_in1) Il metodo più veloce per determinare l'espressione che lega l'ampiezza dell'ingresso alla frequenza di v_OUT cioè l'espressione che definisce il funzionamento del convertitore, è il bilanciamento della carica nel condensatore. Ciò significa che la quantità di carica D Q_C accumulata nel condensatore durante la sua fase di carica, cioè durante t_W, è uguale alla quantità di carica AQ_S resa durante la fase di scarica, cioè durante t_D. Poiché:

D Q_C = (V_in1/ R) t_D        e      D Q_S = [(V_in1/ R)-I_S] t_W

il bilanciamento della carica impone che:

D Q_C + D Q_S = 0

Pertanto:

(V_in1/ R)(t_W+ t_D) =I_St_W

Poiché il periodo T di V_OUT è T = t_W+ t_D dalla precedente relazione si ottiene:

T= I_S t_W R/V_in1

e quindi:

f = 1/T = V_in1 /I_S t_W R

Poiché I_S, t_W e R sono costanti, la frequenza dell'uscita V_OUT è proporzionale all'ampiezza di V_in1 Quando l'ingresso assume il nuovo valore V_in2> V_in1 il funzionamento sopra descritto si ripete.

Poiché V_in2> V_in1 occorre osservare che:

• La corrente di scarica del condensatore I_C = I_in2> I_{S =} (V_in2/ R)-I_S assume ora un valore inferiore a quello assunto quando l'ingresso è V_in1. Ne segue che la pendenza della rampa crescente è minore di quella relativa a V_in1. Poiché questa rampa ha durata fissa pari a t_W, il valore massimo raggiunto da tale rampa è inferiore a quello corrispondente a V_in1.

• La rampa decrescente ha una pendenza proporzionale a V_in2 e, di conseguenza, superiore a quella di V_in1. La durata t_D della rampa di V_in2, quindi, è inferiore a quella relativa a V_in1.

Da quanto esposto si comprende che la frequenza di v_OUT con ingresso V_in2 è maggiore di quella corrispondente a V_in1. Con procedimento identico a quello sopra descritto, infatti, si ricava che:

f = 1/T = V_in2 /I_S t_W R

Si osservino le forme d'onda di figura 2 . Si può quindi concludere che la frequenza f di V_OUT è proporzionale all'ampiezza dell'ingresso V_in Pertanto:

f = 1/T = V_in /I_S t_W R

(1)

Da ultimo si osservi che il segnale v_OUT1 costituisce l'uscita dello stadio Open Collector normalmente presente nei convertitori V/F integrati. L'andamento di v_OUT1 è il "negato" di v_OUT in quanto prelevato sul collettore del transistor di uscita del suddetto stadio. Ricordiamo che lo stadio Open Collector consente di fissare l'ampiezza della propria uscita al valore dell'alimentazione a cui viene connessa la resistenza R_P di pull-up (nel caso di figura tale valore è V_CC).

Il convertitore V/F come ADC

Implementando la struttura di figura 3 è possibile realizzare un ADC sfruttando le caratteristiche funzionali di un convertitore V/F. A un ingresso della porta AND viene collegata l'uscita del convertitore V/F (cioè il treno di impulsi di frequenza proporzionale al valore dell'ingresso V_in) mentre all'altro ingresso della stessa porta logica viene applicato un segnale impulsivo di temporizzazione V_T. La durata t_W del livello ALTO di questo segnale è fissa. Così facendo il contatore numera gli impulsi all'uscita della porta AND per un intervallo di tempo sempre uguale. Ne segue che il conteggio raggiunto dal contatore al termine di t_W è proporzionale al numero degli impulsi durante t_W. Pertanto, al variare di V_in gli impulsi rilevati dal contatore, cioè il conteggio raggiunto, risultano proporzionali al suddetto valore di V_in in quanto t_W è costante.

Fig. 3 Struttura di un ADC realizzato mediante V/F

Il problema fondamentale connesso a questa soluzione circuitale è la lentezza della conversione. Tale lentezza è connessa alle caratteristiche intrinseche del convertitore V/F, alle specifiche del segnale di temporizzazione e, in particolare, al numero n dei bit del contatore. I parametri indicati, inoltre, devono essere reciprocamente calibrati al fine di ottenere le prestazioni complessive desiderate.

Tale struttura, quindi, viene preferibilmente impiegata per la conversione di segnali a bassa frequenza.