電壓頻率轉(zhuǎn)換

電壓頻率轉(zhuǎn)換原理及應(yīng)用報告人：沈潔2021/5/91電壓頻率轉(zhuǎn)換的主要應(yīng)用

主要用于信號隔離和遠(yuǎn)距離傳輸

（1）在工業(yè)現(xiàn)場或較大裝置的計算機(jī)測量控制系統(tǒng)中，由于各功能模塊接地點的電位不同，它對系統(tǒng)內(nèi)的各部分電路，尤其是對模擬電路的正常工作有著很大的影響。所以，測量現(xiàn)場的某些信號或控制設(shè)備往往要求相應(yīng)的隔離，以保護(hù)主機(jī)正常工作，完成各項控制功能（見圖）。（2）模擬信號在傳輸過程中容易受到各種噪聲干擾，而經(jīng)過v/F轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號具有較強的抗干擾能力，故適宜遠(yuǎn)距離傳輸。(3)當(dāng)隔離電壓要求不是很高時可以用光電隔離器件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，而當(dāng)隔離電壓要求幾千伏甚至上萬伏時必須用光纖來傳送。

2021/5/92

電壓頻率轉(zhuǎn)換信號隔離示意圖:

2021/5/93電壓頻率轉(zhuǎn)換的主要方式多諧振蕩式電荷平衡式2021/5/94多諧振蕩式工作原理：

這種結(jié)構(gòu)利用電流控制精密多諧振蕩器作為基本定時單元。輸入級運算放大器把輸入電壓轉(zhuǎn)換為成比例的單極性電流來驅(qū)動多諧振蕩器電路和定時電容器，這個電流決定定時電容的充放電速率，而定時電容又決定多諧振蕩電路的工作頻率。與輸入信號成正比的輸出頻率經(jīng)過一個集電極開路的n-p-n三極管輸出為方波。2021/5/95電荷平衡式工作原理：

電荷平衡式VFC由一個積分器、比較器、精密電荷源、單穩(wěn)多諧振蕩器和輸出三極管構(gòu)成。輸入信號既可為電壓也可為電流。當(dāng)積分器輸出電壓達(dá)到比較器的閾值電壓時，輸出三極管輸出一個脈寬一定的負(fù)脈沖，同時精密電荷源被觸發(fā)，并有固定的電荷從該積分器中被遷移。電荷放電的速率一定與被施加的電壓相一致，因此電荷源被觸發(fā)的頻率即輸出脈沖串的頻率與輸入電壓成正比，所以實現(xiàn)了電壓/頻率轉(zhuǎn)換。2021/5/96多諧振蕩器式與電荷平衡式VFC的比較多諧振蕩器式VFC簡單、便宜、功耗低，具有單位占空比的方波輸出。但是精度低于電荷平衡式VFC，而且不能對負(fù)輸入信號積分。（如AD654和AD537)電荷平衡式VFC比較精確，適合小的模擬信號輸入，而且輸入信號可以為雙極性，輸出波形是脈沖串。缺點是對電路要求較高，輸入阻抗低(如AD650、AD652和VFC320)。2021/5/97VFC技術(shù)指標(biāo):增益與增益誤差（GainandGainError)：

2021/5/98

增益溫度系數(shù)（GainTemteratureCofficient）

增益溫度系數(shù)是指滿度頻率的變化率作為溫度變化（從+25℃至Tmin或Tmax）的函數(shù)。在10V滿度電壓條件下增益溫度系數(shù)對誤差的貢獻(xiàn)與校準(zhǔn)后溫度變化10℃

的作用是等效的。2021/5/99

線性誤差（LinearityErrororNonlinearity）

線性誤差是指實際傳遞函數(shù)曲線與通過傳遞函數(shù)兩個端點的理想直線偏差的相對比率。如下圖兩端點：VLO=10mv,VHI=10V,滿度頻率fFs.=100KHZ,最大頻率誤差為5HZ,對滿度頻率歸一化為0.005%或50PPM。

2021/5/910

電源抑制比（PSRR-PowerSupplyRejectionRatio）

指當(dāng)電源電壓變化時VFC頻率輸出增量的變化特性。單位為PPM/%。例如:AD650輸入電壓為10V，在電源電壓為±15V時，VFC輸出頻率為100kHZ。當(dāng)電源為±12.5V時，電源電壓變化率為1/6即16.7%。如果輸出頻率變?yōu)?9.9KHZ。那么輸出頻率變化率為0.1%或1000PPm。從而PSRR=1000ppm/16.7%=60ppm/%。2021/5/911AD652原理及應(yīng)用AD652簡介：

AD652是美國AD公司推出的一種高線性度電荷平衡式V/F轉(zhuǎn)換芯片。

輸出頻率范圍寬:2MHZ(MAX)

線性誤差在滿頻度輸出為1MHZ時最大為0.005%。增益誤差：最大為1.5%（Fclk=4MHZ）

增益溫度系數(shù)：最大為75ppm/℃

可與TTL或CMOS電平兼容，外接電路簡單（僅需一個積分電容和上拉電阻）單極性或雙極性供電：單極性0V~36V，雙極性-18V~+18V.單極性或雙極性輸入信號：單極性輸入信號0v~10v,雙極性輸入信號-5v~+5v.2021/5/912

AD652組成及工作過程

它主要由積分器、比較器、與門、D觸發(fā)器、鎖存器、轉(zhuǎn)換開關(guān)K、1mA恒流源、外部時鐘組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。單穩(wěn)電路和輸出集電極開路組成輸出級。鎖存器的Q端控制轉(zhuǎn)換開關(guān)K。當(dāng)K打向積分器反向端，為積分器復(fù)位過程；當(dāng)K打向積分器輸出端，為積分過程。2021/5/913

電荷平衡的建立所謂的電荷平衡是指在輸入信號電流和內(nèi)部精密電流源之間建立的一種電荷平衡。輸入積分器有兩種工作模式，一個是IntegrateMode（積分模式），一個是ResetMode（重置模式）。在積分時間Ti內(nèi)，輸入電流Iin對積分電容CINT充電，Q=Iin×Ti；在重置時間Tr內(nèi)，放電電流1mA-Iin對積分電容CINT放電，Q’=(1mA-Iin)×Tr。Q=Q’，即實現(xiàn)了電荷平衡。2021/5/914

電壓到頻率的轉(zhuǎn)換由Q=Q’出發(fā)，我們可以推導(dǎo)出輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系：Iin×Ti=(1mA-Iin)×TrTr為輸入時鐘周期，（Tr+Ti）為輸出脈沖周期?？梢?，在Rin、FCLC一定的情況下，F(xiàn)OUT與Vin呈線性關(guān)系，從而實現(xiàn)了從電壓到頻率的轉(zhuǎn)換。由上可知V/F轉(zhuǎn)換實質(zhì)上就是向積分器輸入一個電流Iin，通過對積分器正/反向充電時間的控制，實現(xiàn)輸入電壓到輸出頻率的轉(zhuǎn)換。V/F轉(zhuǎn)換實質(zhì)上就是一個I/F轉(zhuǎn)換器。、2021/5/915

為了實現(xiàn)大電流向頻率的轉(zhuǎn)換，可以在第7腳前加一個分流電阻Ri，如線圖所示。設(shè)輸入信號電流為Ii，則流入積分器電流Iin=Ri*Ii/(Ri+Rin)=KIi，其中分流系數(shù)K=Ri/(Ri+Rin)。當(dāng)Ri=Rin是相當(dāng)于輸入電流增加了一倍。應(yīng)注意外接電阻Ri和片內(nèi)電阻Rin的溫度漂移對輸出頻率的影響。Ri應(yīng)該用溫度系數(shù)小的精密電阻。2021/5/916

電阻溫飄對頻率輸出曲線的影響2021/5/917

AD652增益和失調(diào)的調(diào)整AD652增益誤差典型值為±0.25%，若要提高精度，可用一個2M?電阻與內(nèi)部20K?并聯(lián)，使20K?電阻有1%負(fù)偏差，然后用串連的500?來調(diào)整滿刻度。失調(diào)補償可以用20K?電位器跨接在腳2、腳3之間，中間抽頭經(jīng)250K?電阻接到+Vs上，調(diào)節(jié)電位器中間抽頭進(jìn)行。2021/5/918AD652作高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器VFC式ADC原理框圖如下：

ADC的分辨率、時鐘頻率和門控時間關(guān)系式為：TGATE*FOUTMAX=滿刻度計數(shù)總數(shù)=N=2n(n為ADC的分辨率)，F(xiàn)OUTMAX=FCLK/2，

故門控時間TGATE=2*2n/FCLK。

例如要求ADC為12位分辨率，選擇時鐘頻率FCLK為2MHZ,滿度FOUTMAX

為1MHZ，那么門控時間TGATE=2*2n/FCLK=2*212/2MHz=4.096ms。如果改變時鐘頻率FCLk便可改變ADC的分辨率。這種ADC的缺點是轉(zhuǎn)換速度較慢，屬于雙積分式ADC。例如AD652用4MHz時鐘，最高輸出2MHz頻率構(gòu)成的12位ADC,轉(zhuǎn)換時間為2.048ms，所以不適宜作高速ADC應(yīng)用場合。2021/5/919

AD652元器件的選擇

積分電容的選擇:通常AD652積分電容取0.02uF，宜采用交流特性好、介質(zhì)損耗小的如聚丙烯、聚苯乙烯電容。

集電極開路上拉電阻的計算

集電極開路輸出級能夠提供10mA左右的吸收電流。選擇集電極開路上拉電阻應(yīng)考慮被驅(qū)動的邏輯電路輸入負(fù)載情況，還應(yīng)選擇較小電阻，使電路具有足夠快的上升時間。例如，要驅(qū)動2個標(biāo)準(zhǔn)TTL負(fù)載，要有3.2mA電流被吸收。如果最高低電平保持在0.4V，使剩下的6.8mA通過上拉電阻，則上拉電阻的阻值單穩(wěn)電容COS的選擇：

單穩(wěn)電容COS決定輸出脈沖寬度，按5ns/PF選擇脈沖寬度。當(dāng)9腳(COS腳)懸空具有最小輸出脈沖寬度200ns。

9腳(COS腳)一般接+VS端即正電源端。2021/5/920

電源去耦和接地：在實際使用中要仔細(xì)考慮供電回路和接地回路的布線，以保證芯片標(biāo)定的性能。為了避免數(shù)字噪聲耦合到模擬電路中去，模擬地和數(shù)字地是分開的。模擬地和數(shù)字地分開布線，最后接入電源地線輸入端實現(xiàn)一點接地。在芯片電源供應(yīng)端加