مبدل فرکانس به ولتاژ چیست و چگونه کار می‌کند؟ — از صفر تا صد

«مبدل فرکانس به ولتاژ» (Frequency to Voltage Converter) یک وسیله الکترونیکی است که فرکانس ورودی سینوسی را به یک مقدار متناسب ولتاژ یا جریان تبدیل می‌کند. در این مطلب قصد داریم به بررسی یک مدار مبدل فرکانس به ولتاژ بپردازیم و با نحوه کار آن آشنا شویم.

مدار مبدل فرکانس به ولتاژ

مدار اصلی مبدل فرکانس به ولتاژ شامل یک تقویت کننده عملیاتی یا «اپ امپ» (Op Amp) و یک مدار RC یا شبکه خازن و مقاومت است. تقویت کننده عملیاتی در کاربردهای پردازش سیگنال بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین از شبکه‌های RC برای حذف کردن ریپل‌های وابسته به فرکانس در سیگنال استفاده می‌شود.

فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱ – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

دیاگرام زیر مدار اصلی مربوط به یک مبدل فرکانس به ولتاژ را نشان می‌دهد.

فرکانس ورودی به این مبدل می‌تواند در بازه ۰ تا ۱۰ کیلو هرتز باشد. همچنین مقادیر سیگنال خروجی می‌تواند در بازه بین ۰ تا ۱۰ ولت باشد.

بلوک دیاگرام یک مبدل فرکانس به ولتاژ

در تصویر زیر بلوک دیاگرام یک مدار مبدل فرکانس به ولتاژ یا F-V converter نشان داده شده است.

در دیاگرام فوق، یک سیگنال با فرکانس مشخص به مدار وارد می‌شود و یک سیگنال ولتاژ متناسب با مقدار فرکانس ورودی، از سمت خروجی مدار خارج می‌شود. در این مدار، خازن تا یک مقدار بحرانی شارژ می‌شود. سپس یک انتگرال‌گیر به آن متصل شده است و خازن توسط این انتگرال‌گیر یا مدار فیلتر پایین گذر دشارژ یا تخلیه می‌شود. این اتفاق در تمام تناوب‌های شکل موج ورودی تکرار می‌شود.

فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱ – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

کلید ترانزیستوری و مدار «مولتی ویبراتور مونو استابل» (Monostable Multivibrator) یک پالس با دامنه و تناوب مشخص تولید می‌کنند که به یک شبکه میانگین‌گیری اعمال می‌شود. به همین دلیل در خروجی یک مقدار ولتاژ DC به دست می‌آید.

مدار مبدل فرکانس به ولتاژ با استفاده از آی‌سی LM331

در تصویر زیر دیاگرام مداری یک آی‌سی LM331 مبدل فرکانس به ولتاژ نشان داده شده است.

این آی‌سی اساسا برای تبدیل ولتاژ به فرکانس مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما می‌توان از آن برای تبدیل فرکانس به ولتاژ نیز استفاده کرد. از دیگر کاربردهای آی‌سی LM331 می‌توان به تبدیل آنالوگ به دیجیتال یا ADC و «انتگرال‌گیری طولانی مدت» (Long Term Integration) اشاره کرد.

اصول کار مبدل فرکانس به ولتاژ

در یک مدار مبدل فرکانس به ولتاژ، از آی‌سی LM331 برای تبدیل فرکانس به ولتاژ استفاده می‌شود. ولتاژ در سمت خروجی متناسب با فرکانس در سمت ورودی است. این آی‌سی دارای ۸ پین است. منبع به پین شماره ۸ و تغذیه DC به پین شماره ۱۵ متصل می‌شود. پین‌های شماره ۳ و ۴ به زمین متصل هستند. فرکانس ورودی به پین شماره ۶ اعمال می‌شود و ولتاژ خروجی از پین شماره ۱ دریافت می‌شود. فرکانس ورودی توسط مقاومت $$R _ 7$$ و خازن $$C _ 3$$ تشخیص داده می‌شوند و سپس قطار پالس حاصل به پین شماره ۶ اعمال می‌شود. زمانی که لبه منفی از قطار پالس در پین شماره ۶ ظاهر شود، مدار تایمر توسط مدار مقایسه‌گر داخلی در آی سی تریگر می‌شود.

فیلم آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک و شبیه سازی در پروتئوس و اورکد Proteus و OrCAD در فرادرس

کلیک کنید

جریانی که از پین شماره ۶ خارج می‌شود، متناسب با مقدار فرکانس ورودی، خازن $$C _ 1$$ و مقاومت $$R _ 1$$  است که به این دو، المان‌های زمان‌بندی می‌گویند. بنابراین ولتاژ خروجی را از دو سر مقاومت $$R _ 4$$ دریافت می‌کنیم که متناسب با مقدار فرکانس ورودی است. در این مدار از ولتاژ ۱۵ ولت DC استفاده می‌شود. اما ولتاژ عملکرد آی‌سی می‌تواند بین ۵ تا ۳۰ ولت DC در نظر گرفته شود. مقدار مقاومت $$R _ 3$$ به مقدار ولتاژ تغذیه بستگی دارد.

کاربردهای مدار مبدل فرکانس به ولتاژ

مدارات مبدل فرکانس به ولتاژ در گستره وسیعی از کاربردها مانند مدارهای مخابراتی، کنترل توان و سیستم‌های اندازه گیری و ابزار دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این میان، دو کاربرد زیر را با جزئیات بیشتر بررسی خواهیم کرد:

1. کاربرد مبدل فرکانس به ولتاژ در «تاکومترهای» (Tachometer) دیجیتالی.
2. کاربرد مبدل فرکانس به ولتاژ در اندازه‌گیری اختلاف فرکانس.

مبدل فرکانس به ولتاژ در تاکومترهای دیجیتال

یک تاکومتر دیجیتالی در واقع وسیله‌ای الکترونیکی است که سرعت چرخش یک چرخ دوار را اندازه می‌گیرد. این وسیله سرعت چرخش را به صورت یک سیگنال ولتاژ نمایش می‌دهد و به همین دلیل است که می‌توان در آن از مبدل فرکانس به ولتاژ استفاده کرد. در تصویر زیر نمایی از یک تاکومتر دیجیتالی از نوع غیر تماسی نشان داده شده است.

سرعت وقوع برخی پدیده‌ها را می‌توان به وسیله سرعت‌سنج به دست آورد. در واقع برای این کار، فرایند را به اندازه زمانی معین در نظر می‌گیرند و سپس تعداد وقوع یک اتفاق خاص را بر زمان کلی تقسیم می‌کنند و بدین ترتیب سرعت وقوع یا نرخ وقوع آن پدیده به دست می‌آید. این تئوری عملکرد یک تاکومتر دیجیتالی ساده است. می توان از یک آی‌سی LM2907 به عنوان تاکومتر دیجیتالی استفاده کرد. این آی‌سی دارای ۸ عدد پین است. در پین شماره یک آن، سیگنال با فرکانس مورد نظر را از وسیله گردان اعمال می‌کنیم. در پین شماره ۲، ولتاژ بین دو مقدار $$1 / 4 ( V _ { C C } ) – V _ { B E }$$ و $$3 / 4 ( V _ { C C } ) – V _ { B E }$$ است. در تصویر زیر پیکربندی داخلی یک آی‌سی LM2907 نشان داده شده است.

دو خازن $$C _ 1$$ و $$C  _ 2$$ و مقاومت $$R _ 1$$ بر اساس ملزومات مدار دارای مقادیر خاص خواهند بود که می‌توان برای تعیین آن‌ها از دیتاشیت LM2907 استفاده کرد.

اتصالات آی‌سی LM2907

سیگنال ورودی در پین شماره ۱ اعمال می‌شود و در پین ۱۱ مقدار ولتاژ مرجع را وارد می‌کنیم. پین‌های شماره ۸ و شماره ۹ با یک ولتاژ ثابت تغذیه می‌شوند. ورودی معکوس کننده اپ امپ به خروجی امیتر متصل شده است. در پین شماره ۵ یک ولتاژ با امپدانس بسیار پایین به دست می‌آوریم که متناسب با فرکانس ورودی داده شده است. از پین شماره ۵ و شماره ۱۰، سیگنال خروجی با فرکانس ۶۷ هرتز بر ولت را دریافت می‌کنیم. این خروجی به ADC ارسال می‌شود و سپس DSP می‌تواند این خروجی را بخواند.

مبدل فرکانس به ولتاژ در اندازه‌گیری اختلاف فرکانس

آی‌سی TC9400 یک آی‌سی مبدل ولتاژ به فرکانس و فرکانس به ولتاژ به حساب می‌آید. اتصالات مدار پایه آن شامل سه مقاومت، دو خازن و ولتاژ مرجع است. می‌توانیم از دو آی‌سی TC9400 استفاده کنیم و هر دو را در مود مبدل فرکانس به ولتاژ در نظر بگیریم، در نتیجه از این طریق اختلاف فرکانس بین دو سیگنال را اندازه می‌گیریم. بنابراین از دو مبدل استفاده می‌کنیم و ولتاژهای $$V _ 1$$ و $$V _ 2$$ به عنوان دو خروجی متمایز به دست می‌آیند. یک بهره واحد منفی، ولتاژ $$V _ 2$$ که از مبدل فرکانس به دیجیتال دوم به دست می‌آید را معکوس می‌کند. یک اپ امپ در ادامه قرار داده شده است که هر دو ولتاژ $$V _ 1$$ و $$- V _ 2$$ را با هم جمع می‌کند. در واقع این سیگنال حاصل جمع، متناسب با اختلاف فرکانس $$F _ 1$$ و $$F _ 2$$ بین دو سیگنال ورودی است.

فیلم آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک و شبیه سازی در پروتئوس و اورکد Proteus و OrCAD در فرادرس

کلیک کنید

یک مبدل فرکانس به ولتاژ را می‌توان در یک مدار دیگر نیز متصل کرد که بتواند فرکانس خروجی متناسب با اختلاف فرکانسی بین $$F _ 1$$ و $$F _ 2$$ را تولید کند. به همین دلیل اندازه‌گیری اختلاف فرکانسی را می‌توان علاوه بر سیگنال ولتاژ، بر حسب فرکانس نیز محاسبه کرد. در تصویر زیر دیاگرام مدار اندازه‌گیری اختلاف فرکانس با استفاده از سه آی سی TC9400 نشان داده شده است.

علاوه بر این دو کاربرد، موارد بسیار متنوع دیگری برای مبدل فرکانس به ولتاژ وجود دارند که از آن جمله می‌توان به ضرب کننده یا تقسیم کننده فرکانسی، دیکودرهای فرکانس، اندازه‌گیرهای فرکانس و کنترل سرعت موتور اشاره کرد.

اگر مطالب بیان شده برای شما مفید بوده و می‌خواهید درباره موضوعات مرتبط با آن بیشتر بدانید، پیشنهاد می‌کنیم به آموزش‌های زیر مراجعه کنید:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش مدارهای الکتریکی ۱
• مجموعه آموزش‌‌های مهندسی الکترونیک
• آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک به همراه شبیه سازی عملی و کاربردی
• مقاومت پول آپ — از صفر تا صد
• تقویت کننده بیس مشترک — از صفر تا صد
• اسپلیتر فاز — از صفر تا صد

^^