تعریف مدار مبدل فرکانس به ولتاژ

تعریف مدار مبدل فرکانس به ولتاژ:
«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 می کند.

در این مطلب قصد داریم به بررسی یک مدار مبدل فرکانس به ولتاژ بپردازیم و با نحوه کار آن آشنا شویم.

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 می گیرد. همچنین از شبکه های RC برای حذف کردن ریپل های وابسته به فرکانس در سیگنال استفاده می شود. دیاگرام زیر مدار اصلی مربوط به یک مبدل فرکانس به ولتاژ را نشان می دهد.

فرکانس ورودی به این مبدل می تواند در بازه 0 تا 10 کیلو هرتز باشد. همچنین مقادیر سیگنال خروجی می تواند در بازه بین 0 تا 10 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 می شود و یک سیگنال ولتاژ متناسب با مقدار فرکانس ورودی، از سمت خروجی مدار خارج می شود.

در این مدار، خازن تا یک مقدار بحرانی شارژ می شود. سپس یک انتگرال گیر به آن متصل شده است و خازن توسط این انتگرال گیر یا مدار فیلتر پایین گذر دشارژ یا تخلیه می شود. این اتفاق در تمام تناوب های شکل موج ورودی تکرار می شود.

کلید ترانزیستوری و مدار «مولتی ویبراتور مونو استابل» (Monostable Multivibrator) یک پالس با دامنه و تناوب مشخص تولید می کنند که به یک شبکه میانگین گیری اعمال می شود. به همین دلیل در خروجی یک مقدار ولتاژ DC به دست می آید.

مدار مبدل فرکانس به ولتاژ با استفاده از آی سی LM331:
در تصویر زیر دیاگرام مداری یک آی سی LM331 مبدل فرکانس به ولتاژ نشان داده شده است.

این آی سی اساسا برای تبدیل ولتاژ به فرکانس مورد استفاده قرار می گیرد، اما می توان از آن برای تبدیل فرکانس به ولتاژ نیز استفاده کرد. از دیگر کاربردهای آی سی LM331 می توان به تبدیل آنالوگ به دیجیتال یا ADC و «انتگرال گیری طولانی مدت» (Long Term Integration) اشاره کرد.

اصول کار مبدل فرکانس به ولتاژ:
در یک مدار مبدل فرکانس به ولتاژ، از آی سی LM331 برای تبدیل فرکانس به ولتاژ استفاده می شود. ولتاژ در سمت خروجی متناسب با فرکانس در سمت ورودی است.

این آی سی دارای 8 پین است. منبع به پین شماره 8 و تغذیه DC به پین شماره 15 متصل می شود. پین های شماره 3 و 4 به زمین متصل هستند. فرکانس ورودی به پین شماره 6 اعمال می شود و ولتاژ خروجی از پین شماره 1 دریافت می شود.

فرکانس ورودی توسط مقاومت R7 و خازن C3 تشخیص داده می شوند و سپس قطار پالس حاصل به پین شماره 6 اعمال می شود. زمانی که لبه منفی از قطار پالس در پین شماره 6 ظاهر شود، مدار تایمر توسط مدار مقایسه گر داخلی در آی سی تریگر می شود.

جریانی که از پین شماره 6 خارج می شود، متناسب با مقدار فرکانس ورودی، خازن C1 و مقاومت R1 است که به این دو، المان های زمان بندی می گویند.

بنابراین ولتاژ خروجی را از دو سر مقاومت R4 دریافت می کنیم که متناسب با مقدار فرکانس ورودی است. در این مدار از ولتاژ 15 ولت DC استفاده می شود.

اما ولتاژ عملکرد آی سی می تواند بین 5 تا 30 ولت DC در نظر گرفته شود. مقدار مقاومتR3 به مقدار ولتاژ تغذیه بستگی دارد.