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电压频率转换原理及应用报告人：沈洁2023/5/241电压频率转换的主要应用n 主要用于信号隔离和远距离传输主要用于信号隔离和远距离传输 （1）在在工工业业现现场场或或较较大大装装置置的的计计算算机机测测量量控控制制系系统统中中，由由于于各各功功能能模模块块接接地地点点的的电电位位不不同同，它它对对系系统统内内的的各各部部分分电电路路，尤尤其其是是对对模模拟拟电电路路的的正正常常工工作作有有着着很很大大的的影影响响。所所以以，测测量量现现场场的的某某些些信信号号或或控控制制设设备备往往往往要要求求相相应应的的隔隔离离，以以保保护护主主机正常工作，完成各项控制功能（见图）。机正常工作，完成各项控制功能（见图）。（2）模模拟拟信信号号在在传传输输过过程程中中容容易易受受到到各各种种噪噪声声干干扰扰，而而经经过过v/F转转换换后后的的数数字字信信号号具具有有较较强强的的抗抗干干扰扰能能力力，故故适适宜宜远远距距离传输。离传输。(3)当当隔隔离离电电压压要要求求不不是是很很高高时时可可以以用用光光电电隔隔离离器器件件来来实实现现数数据据传传送送，而而当当隔隔离离电电压压要要求求几几千千伏伏甚甚至至上上万万伏伏时时必必须须用用光纤来传送。光纤来传送。2023/5/242 n电压频率转换信号隔离示意图:2023/5/243电压频率转换的主要方式n 多谐振荡式n电荷平衡式2023/5/244多谐振荡式工作原理：这种结构利用电流控制精密多谐振荡器作为基本定时这种结构利用电流控制精密多谐振荡器作为基本定时单元。输入级运算放大器把输入电压转换为成比例的单极单元。输入级运算放大器把输入电压转换为成比例的单极性电流来驱动多谐振荡器电路和定时电容器，这个电流决性电流来驱动多谐振荡器电路和定时电容器，这个电流决定定时电容的充放电速率，而定时电容又决定多谐振荡电定定时电容的充放电速率，而定时电容又决定多谐振荡电路的工作频率。与输入信号成正比的输出频率经过一个集路的工作频率。与输入信号成正比的输出频率经过一个集电极开路的电极开路的n-p-nn-p-n三极管输出为方波。三极管输出为方波。2023/5/245电荷平衡式工作原理：电荷平衡式电荷平衡式VFC由一个积分器、比较器、精密电荷源、单稳由一个积分器、比较器、精密电荷源、单稳多谐振荡器和输出三极管构成。输入信号既可为电压也可为电多谐振荡器和输出三极管构成。输入信号既可为电压也可为电流。当积分器输出电压达到比较器的阈值电压时，输出三极管流。当积分器输出电压达到比较器的阈值电压时，输出三极管输出一个脉宽一定的负脉冲，同时精密电荷源被触发，并有固输出一个脉宽一定的负脉冲，同时精密电荷源被触发，并有固定的电荷从该积分器中被迁移。电荷放电的速率一定与被施加定的电荷从该积分器中被迁移。电荷放电的速率一定与被施加的电压相一致，因此电荷源被触发的频率即输出脉冲串的频率的电压相一致，因此电荷源被触发的频率即输出脉冲串的频率与输入电压成正比，所以实现了电压与输入电压成正比，所以实现了电压/频率转换。频率转换。2023/5/246多谐振荡器式与电荷平衡式VFC的比较多谐振荡器式多谐振荡器式VFC简单、便宜、功耗低，具有单位占空简单、便宜、功耗低，具有单位占空比的方波输出。但是精度低于电荷平衡式比的方波输出。但是精度低于电荷平衡式VFC，而且不而且不能对负输入信号积分。（如能对负输入信号积分。（如AD654和和AD537)电荷平衡式电荷平衡式VFC比较精确，适合小的模拟信号输入，而比较精确，适合小的模拟信号输入，而且输入信号可以为双极性，输出波形是脉冲串。缺点是且输入信号可以为双极性，输出波形是脉冲串。缺点是对电路要求较高，输入阻抗低对电路要求较高，输入阻抗低(如如AD650、AD652和和VFC320)。2023/5/247VFC技术指标:n增益与增益误差（Gain and Gain Error)：2023/5/248 n增益温度系数增益温度系数（Gain Temterature Cofficient）增益温度系数是指满度频率的变化率作增益温度系数是指满度频率的变化率作为温度变化（从为温度变化（从+25至至Tmin或或Tmax）的函数。在）的函数。在10V满度电压条件下满度电压条件下增益温度系数对误差的贡献与校准后温度增益温度系数对误差的贡献与校准后温度变化变化10 的作用是等效的。的作用是等效的。2023/5/249 n线性误差（Linearity Error or Nonlinearity）线性误差是指实际传递函数曲线与通过传递函数两个端点的理线性误差是指实际传递函数曲线与通过传递函数两个端点的理想直线偏差的相对比率。如下图两端点：想直线偏差的相对比率。如下图两端点：VLO=10mv,VHI=10V,满度频率满度频率fFs.=100KHZ,最大频率误差为最大频率误差为5HZ,对满度频率归一化对满度频率归一化为为0.005%或或50PPM。2023/5/2410 n电源抑制比（PSRR-Power Supply Rejection Ratio）指当电源电压变化时指当电源电压变化时VFC频率输出增量的变化特性。频率输出增量的变化特性。单位为单位为PPM/%。例如例如:AD650输入电压为输入电压为10V，在电源在电源电压为电压为15V时，时，VFC输出频率为输出频率为100kHZ。当电源当电源 为为12.5V时，电源电压变化率为时，电源电压变化率为1/6即即16.7%。如果。如果输出频率变为输出频率变为99.9KHZ。那么输出频率变化率为那么输出频率变化率为0.1%或或1000PPm。从而从而PSRR=1000ppm/16.7%=60ppm/%。2023/5/2411AD652原理及应用nAD652简介：AD652 是美国是美国AD公司推出的一种高线性度电荷平衡式公司推出的一种高线性度电荷平衡式 V/F转换芯片。转换芯片。v 输出频率范围宽输出频率范围宽:2MHZ(MAX)v 线性误差在满频度输出为线性误差在满频度输出为1MHZ时最大为时最大为0.005%。v 增益误差：最大为增益误差：最大为1.5%（Fclk=4MHZ）v 增益温度系数：最大为增益温度系数：最大为75ppm/v 可与可与TTL或或CMOS电平兼容，外接电路简单（仅需一个积分电电平兼容，外接电路简单（仅需一个积分电容和上拉电阻）容和上拉电阻）v 单极性或双极性供电：单极性单极性或双极性供电：单极性0V36V，双极性双极性-18V+18V.v单极性或双极性输入信号：单极性输入信号单极性或双极性输入信号：单极性输入信号0v10v,双极性输双极性输入信号入信号-5v+5v.2023/5/2412 nAD652组成及工作过程 它主要由积分器、比较器、与门、它主要由积分器、比较器、与门、D触发器、锁存器、触发器、锁存器、转换开关转换开关K、1mA恒流源、外部时钟组成一个闭环系统。恒流源、外部时钟组成一个闭环系统。单稳电路和输出集电极开路组成输出级。锁存器的单稳电路和输出集电极开路组成输出级。锁存器的Q端控端控制转换开关制转换开关K。当当K打向积分器反向端，为积分器复位过打向积分器反向端，为积分器复位过程；当程；当K打向积分器输出端，为积分过程打向积分器输出端，为积分过程。2023/5/2413 电荷平衡的建立所谓的电荷平衡是指在输入信号电流和内部精密电流源之间建立的一种电荷平衡。输入积分器有两种工作模式，一个是Integrate Mode（积分模式），一个是Reset Mode（重置模式）。在积分时间Ti内，输入电流Iin对积分电容CINT充电，Q=IinTi；在重置时间Tr内，放电电流1mA-Iin对积分电容CINT放电，Q=(1mA-Iin)Tr。Q=Q，即实现了电荷平衡。2023/5/2414 电压到频率的转换由Q=Q出发，我们可以推导出输入电压和输出频率的关系：IinTi=(1mA-Iin)TrTr为输入时钟周期，（Tr+Ti）为输出脉冲周期。可见，在Rin、F CLC一定的情况下，FOUT与Vin呈线性关系，从而实现了从电压到频率的转换。由上可知V/F转换实质上就是向积分器输入一个电流Iin，通过对积分器正/反向充电时间的控制，实现输入电压到输出频率的转换。V/F 转换实质上就是一个I/F转换器。、2023/5/2415 为了实现大电流向频率的转换，可以在第7脚前加一个分流电阻Ri，如线图所示。设输入信号电流为Ii，则流入积分器电流Iin=Ri*Ii/(Ri+Rin)=KIi，其中分流系数K=Ri/(Ri+Rin)。当Ri=Rin是相当于输入电流增加了一倍。应注意外接电阻Ri和片内电阻Rin的温度漂移对输出频率的影响。Ri应该用温度系数小的精密电阻。2023/5/2416 n电阻温飘对频率输出曲线的影响2023/5/2417 nAD652增益和失调的调整 AD652增益误差典型值为0.25%，若要提高精度，可用一个2M电阻与内部20K并联，使20 K电阻有1%负偏差，然后用串连的500来调整满刻度。失调补偿可以用20K电位器跨接在脚2、脚3之间，中间抽头经250K电阻接到+Vs上，调节电位器中间抽头进行。2023/5/2418AD652作高分辨率A/D转换器VFC式ADC原理框图如下：ADCADC的分辨率、时钟频率和门控时间关系式为：的分辨率、时钟频率和门控时间关系式为：的分辨率、时钟频率和门控时间关系式为：的分辨率、时钟频率和门控时间关系式为：T TGATE GATE*F*FOUTMAXOUTMAX=满满满满刻度计数总数刻度计数总数刻度计数总数刻度计数总数=N=2N=2n n(n(n为为为为ADCADC的分辨率的分辨率的分辨率的分辨率)，F FOUTMAXOUTMAX=F=FCLK/2 CLK/2 ，故门控时间故门控时间故门控时间故门控时间T TGATEGATE=2*2=2*2n n/F/FCLK CLK。vv 例如要求例如要求例如要求例如要求ADCADC为为为为1212位分辨率，选择时钟频率位分辨率，选择时钟频率位分辨率，选择时钟频率位分辨率，选择时钟频率F FCLKCLK为为为为2 2MHZ,MHZ,满度满度满度满度F FOUTMAXOUTMAX 为为为为1 1MHZMHZ，那么门控时间那么门控时间那么门控时间那么门控时间T TGATEGATE=2*2=2*2n n/F/FCLKCLK=2*2=2*21212/2MHz=4.096ms/2MHz=4.096ms。如果改变时钟频率如果改变时钟频率如果改变时钟频率如果改变时钟频率F FCLkCLk便可改变便可改变便可改变便可改变ADCADC的分辨率。这种的分辨率。这种的分辨率。这种的分辨率。这种ADCADC的缺点是转的缺点是转的缺点是转的缺点是转换速度较慢，属于双积分式换速度较慢，属于双积分式换速度较慢，属于双积分式换速度较慢，属于双积分式ADCADC。例如例如例如例如AD652AD652用用用用4 4MHzMHz时钟，最高输出时钟，最高输出时钟，最高输出时钟，最高输出2 2MHzMHz频率构成的频率构成的频率构成的频率构成的1212位位位位ADC,ADC,转换时间为转换时间为转换时间为转换时间为2.0482.048msms，所以不适宜作高速所以不适宜作高速所以不适宜作高速所以不适宜作高速ADCADC应用场合。应用场合。应用场合。应用场合。2023/5/2419 n AD652元器件的选择v 积分电容的选择积分电容的选择:通常AD652积分电容取0.02uF，宜采用交流特性好、介质损耗小的如聚丙烯、聚苯乙烯电容。v集电极开路上拉电阻的计算集电极开路上拉电阻的计算集电极开路输出级能够提供10mA左右的吸收电流。选择集电极开路上拉电阻应考虑被驱动的逻辑电路输入负载情况，还应选择较小电阻，使电路具有足够快的上升时间。例如，要驱动2个标准TTL负载，要有3.2mA电流被吸收。如果最高低电平保持在0.4V，使剩下的6.8mA通过上拉电阻，则上拉电阻的阻值v单稳电容单稳电容COS的选择：的选择：单稳电容COS决定输出脉冲宽度，按5ns/PF选择脉冲宽度。当9脚(COS脚)悬空具有最小输出脉冲宽度200ns。9脚(COS脚)一般接+VS端即正电源端。2023/5/2420 n电源去耦和接地：电源去耦和接地：在实际使用中要仔细考虑供电回路和接地回路的布线，在实际使用中要仔细考虑供电回路和接地回路的布线，以保证芯片标定的性能。以保证芯片标定的性能。v为了避免数字噪声耦合到模拟电路中去，模拟地和数字地是分开的。为了避免数字噪声耦合到模拟电路中去，模拟地和数字地是分开的。模拟地和数字地分开布线，最后接入电源地线输入端实现一点接地。模拟地和数字地分开布线，最后接入电源地线输入端实现一点接地。v在芯片电源供应端加入在芯片电源供应端加入10100 的电阻，并在电阻两端加入的电阻，并在电阻两端加入0.1uF的退耦电容。的退耦电容。v在在PCB电源接入点应接上一个容量大于电源接入点应接上一个容量大于47uF的电解电容；的电解电容；在靠近在靠近芯片的电源走线端加入芯片的电源走线端加入1uF10uF的板级退耦电容。的板级退耦电容。v 对时钟信号应加地屏蔽来避免辐射噪声耦合到电路的其他部分。对时钟信号应加地屏蔽来避免辐射噪声耦合到电路的其他部分。2023/5/2421畅想网络Imagination Network感感谢观看！看！文章内容来源于网文章内容来源于网络，如有侵，如有侵权请联系我系我们删除。除。2023/5/2422