第四章模拟量转换为频率和周期

这段称为第二段积分期
当单稳态输出的暂态由暂态恢复到稳态时 第二段积分期结束 又重新回到第一段积 分期 这样的重复形成稳定的振荡 在第一段积分期 积分电流 Vx/R>0 积分时间 T1 积分输出负斜率 积分电荷为
∆Q1 =
Vx × T1 R
在第一段积分期 积分电流 Vx/R-I1<0 积分时间 T2 积分输出正斜率 积分电荷为
第一阶段积分结束 开关 S 接地
第二阶段 负值 为 Vx
换极性放大器的极性为正极性 积分器对
Vx 积分 积分则积分输出上升 当积分输出到双限比较 开关 S 动作 第二阶段积分结束 回到第一阶段
器的上阀值电压时 如此往复
输出 V0 翻转
形成振荡 同样可以实现振
如果 Vx<0 只要双限比较器的输出和极性切换开关的逻辑配合好 荡过程 V/F 转换
单稳态定时电容 Cw 受温度的影响 恒流源的电流值随时间和温度变化
转换的精度取决于单稳态的暂态时间和恒流源的精度 尤其是决定单稳态的暂态时间 的电容 一是电容不像电阻那样可以连续调节 二是电容的温度系数的影响 这对于高精 度的测量尤其显得重要 例如 在集成 V/F 转换 AD650 中 主要的误差来源为单稳态定
第四章 模拟量转换为频率和周期
在智能系统中 CPU 识别模拟量的方法 除了利用 A/D 转换把模拟量变换为数字量 还可以把模拟量转化为频率 周期的方法 因为计算机除了可以直接识别数字量外 借助 定时器 计数器 还可以识别频率 周期 是把输入电压信号转换为相应的频率信号的电路
VFC Voltage Frequency Convert 属于压控振荡器范畴 习惯上把压空振荡器根据其用途 VCO 电压控制震荡器
4.1 定时间复原型 V/F 转换 定时间复原型 V/F 转换由积分器 比较器 单稳态 电流源和模拟开关构成 其原理
图 4-1
定时间复原型 V/F 转换原理图
时序图
电路图如图 4-1 所示 当单稳态输出控制开关 S 断开时 积分器对输入电压 Vx 积分 积分电流为 Vx/R 假 设 Vx>0 积分输出 V 下降 当 V 下降到比较器阀值电压 Vss 时 比较器输出翻转 触发 单稳态 单稳态输出进入暂态 开关 S 闭合 这段时间称为第一段积分期 这段积分时间 为 T1 在单稳态输出的暂态时间 T2 内 电流为 Vx/R-I1 积分输出 V 上升 开关 S 闭合 电流源 I1 I1> Vx/R 被接通 积分
I2 =
如果 R2=2R1 R3=R4=R 则有 I2=
VxR1 1 VxR 2 1 × − × R1 + R 2 R 3 R1 + R 2 R 4
I1
I1=Vx/3R V/F 转换的过程 第一阶段 I=I1
假设 Vx>0 积分电流
开关 S 断开
积分输出负斜率
当积分输出 VA
下降到双限比较器的低电压阀值时 比较 器输出翻转 开关 S 闭合 第一阶段积分 结束 第二阶段 开关 S 闭合 积分电流 I= I1 积分输出正斜率 翻转 开关 S 断开闭合 如此重复 图 4-5 双限比较器切换电阻网络 V/F 转换 比较器输出
双限比较器的阀值电压用基准电压产生
双限比较器 在上边两种由双限比较器构成的 V/F 转换中 双限比较器在其中担任重要的环节 判 断积分的输出电压是否到达阀值 如果到达阀值 则双限比较器的输出翻转
滞回比较器就是一种双限比较器 图 4-6 是滞回比较器的转移特性和输入 输出波形 图 其中输入 输出电压分别为 Vi 和 Vo 在转移特性中上限阀值电压为 UH 下限阀值
图 4-3 时电容的温度漂移 实际使用时
AD7741 原理图
引脚图
尽可能选择高质量的温度系数小的单稳定时电容
集成 V/F 转换 AD652 带有时钟端 其复原积分的时间通过数字电路技术
由时钟来
决定 消除了单稳定时电容的缺点 集成 V/F 转换 AD7741 只有 8 个引 0 脚 内部自带有 时钟端 的电流 自带 2.5V 参考电压端 如图 4-3 所示 用时钟来决定复原积分时间 用参考电压来决定电流源
∆Q 2 = (
Vx − I1) × T 2 R
Q1= Q2 假设单稳态的暂
形成稳定的振荡后时 两段积分电荷的绝对值相等 态输出时间为 Tw 则有
Vx Vx × T1 = − − I1T 2 R R
可以得到定时间复原型 V/F 转换的周期和频率
RI1 − 1Tw T1 = Vx 1 Vx = T RTwI1
双限比较器电阻网络型 V/F 转换的特点 <1> <2> <3> 电路简单
合理的设置对开关的控制方式
可以实现对正电压和负电压的 V/F 转换
转换精度与电阻网络和电容 C 以及滞回比较器的上下阀值电压差 ∆ V 有关 R3=R4=R 关系不一定满足 只要满足 R1R4<R2R3 也可以实现
如果考虑 R2=2R1 V/F 转换功能
AD650 外接元件的参数选用估计公式
37 × 10 6 Cw = − 44pF ≥ 51pF Fmax C= 10 −4 ≥ 1000pF Fmax Ux 6.8RC
FOUT = (0.01% ~ 100%) × Fmax = R= Ux max 0.25mA
其中 Cw 是单稳态定时电容 分电阻 电容
T = T1 + T 2 =
如果取 R2=2R1
R 2 × R3 R1 + R 2 ∆V × × R3 × C × R 2 × R 3 − R1 × R 4 R1 Vx
则 T1=T2 则 V/F 转换的周期和频率为
R3=R4=R
T=
6源自文库C × ∆V Vx
易于用普通元件实现
F=
1 Vx = T 6RC × ∆V
4.2 双限比较器式 V/F 转换 换极性式 V/F 转换 V/F 转换是压控振荡器 几乎所有的 V/F 转换的核心部分都离不开积分器 用积分器 构成振荡器就离不开让积分输出电压极性反转的电路 在定时间复原型 V/F 转换中是靠模 拟开关切换恒流源实现的
换极性式 V/F 转换 图 4-4 所示的电路可以实现 V/F 转换功能 电路由换极性放大器 积分器 双限比较 器构成
R C 是积
图 4-2
V/F 功能的等效电路
Fmax 是满度频率值
Uxmax 是满度输入电压
由定时间复原型 V/F 转换的输出频率表达式 其转换系数与积分电容无关 因为积分 的充电 放电过程经过积分电容后相互抵消 但是积分电容的漏电会对积分产生影响 一 般选择漏电小的电容 <1> <2> 如 CBB 电容等 而对转换精度影响的主要因素有两点 会影响转换系数中的 Tw 会影响转换系数中的 I1.
555 的输出有两 Open Collector
可以看出 7 脚的输出和 3 脚具有相同逻辑
比较器输出触发开关 S
R1 × Vx R 2 × Vx − (R1 + R 2)R3 ( R1 + R 2) R 4 R1 R3 < R2 R4
如果要达到振荡的目的 也就 R2
是积分的输出在第二阶段必须为正斜率 R3 斜率 闭合 R4 之间必须满足
则这个积分电流必须小于 0 即电阻 R1 在满足这个条件下 比较器输出翻转
在 VFC 的发展中 逐渐淘汰了那些存在缺陷的和复杂的 VFC 电路 如早期在原理中 存在忽略积分复原时间缺陷的 VFC 专用模拟集成电路 V/F 转换器主要采用定时间复原型 其性能稳定 灵敏度高 非线性误差小
VFC 广泛的应用于模\数 A\D 变换 数字电压表 数据测量仪器及远距离遥测遥控 设备中
图 4-4 V/F 转换过程 第一阶段 Vx
双限比较器切换极性的 V/F 转换
换极性放大器的极性为正极性
开关 S 接 Vx
A 点电压等于输入电压
积分器对 Vx 积分 假设 Vx>0 则积分输出下降 输出 V0 翻转 开关 S 动作
当积分输出到双限回比较器的下 进入第二阶段 A 点电压等于输入电压的
阀值电压时
不但具有 V/F 转换功能 还具有 F/V 转换功能 其 V/F 功能的等效电路原理图如图 4-2 所 示 比较器的阀值电压为-0.6V 内部 1mA 的恒流源由开关 S 在积分器反相输入端和积分
器输出端之间切换 这样设置的目的是 无论开关 S 切换到哪一边 积分器中的的运算放
大器 A1 的输出电流都是
性能和要求分为三类 其输出信号的频率随输入
其主要目的是产生所需要的信号
电压的变化而变化 通过改变输入电压可以获得所需要的频率信号 但对电压和频率之间 的线形关系不做要求 FM 调频电路 将一定的电压的变化调节为所需频率的变化 稳定度要求高 过度响应好 一般其频率变化较小
VFC 电压频率转化器 其目的是为了获得正比于电压的频率信号 因而对线形关系和 稳定性的要求较高 就是人们通常所说的 V/F 转换
电容 C 上的放电电荷为
∆Q 2 = (
R1 × Vx R 2 × Vx − ) × T2 (R1 + R 2)R 3 (R1 + R 2)R 4
形成稳定的震荡时 充放电的电荷数值相等 假设双限比较器的上 下限阀值电压的 差值为∆V 则充 放 电电荷为∆VC=∆Q1= ∆Q2 可以得到这种 V/F 转换的周期为
一个放电
在定时间复原型 V/F 转换 其特点是在第二段积分中引入恒流源 且第二段积分时间 由单稳态决定 定时间复原型 V/F 转换易于实现集成化 如 AD650 VFC32 LM331 等 其内部电路基本和上图相同 AD650 就是基于定时间复原型 V/F 转换原理基础上的高速集成 V/F 转换器 AD650
电压为 UL
由上图可以看出滞回比较器能够满足上述两种 V/F 转换的要求
图 4-6
滞回比较器转移特性图与波形图
4.3 555 的几种实用电路 集成电路 555 是广泛应用的一种集成电路 OC 输出驱动为一体的集成器件 个引脚 3 脚和 7 脚 它集比较器 分压电阻 R-S 触发器
内部原理图和管脚分布图如下图所示 是 OC
电阻网络式 V/F 转换
图 4-5 的 V/F 转换电路由 在电路中
开关 S 可以切换的
电阻网络积分器
双限比较器构成
积分器中的放大器的反相输入端的电位为
VB =
当开关 S 断开时 积分电流为
R2 2 Vx = Vx R1 + R 2 3 VxR1 1 × R1 + R 2 R 3
I1 =
当开关 S 闭合后 积分电流为
此时 T1≠T2
V/F 转换频率关系表达式为
F = (1 −
R1R 4 R1 Vx )÷ × R 2R 3 R1 + R 2 R 3C∆V ∆ V 的精度和
由此式可以知道 影响影响 V/F 转换稳定性的因素有 电阻 电容 C 以及 ∆ V 的稳定性
稳定性 如果有较准 考虑到电阻的稳定性较高 则主要因素是电容 C 的温度系数的影响 进一步的提高 V/F 转换稳定性的方法是 采用温度系数小的电容 C
1mA
Vx/R
开关 S 切换的电荷传送很小
有利于实现高精
度和高速度 AD650 的转换频率高达 1MHZ 线性度在 1MHZ 时为 0.07% 100KHZ 时为 0.005% 10KHZ 时为 0.002% 电容器 Cw AD650 只需外接积分 R C 和决定单稳态暂态时间的外接
就可以实现 V/F 转换
当积分输出 VA 上升到双限比较器的高电压阀值时 第二阶段积分结束 恢复到第一阶段
形成振荡 R3=R4=R 是一种特殊情况 实际的 V/F 转换的过程 假设 Vx>0
上面 R2=2R1
第一阶段 积分电流为
R1 × Vx (R1 + R 2)R3
积分输出斜率为正
积分输出电压 VA 下降 第一阶段结束
当 VA 下降到双限比较器下限阀值时 第二阶段 积分电流为
T = T1 + T 2 =
RI1 × Tw Vx
F=
可见 V/F 转换的输出频率 F 和输入电压 Vx 成正比例关系 在定时间复原型 V/F 转换中 所以称为定时间复原型 相反 一个充电 第二段积分的积分时间由单稳态的暂态时间 Tw 决定
所谓的复原是指第二段的积分电荷和第一段对被 Vx 的积分电荷 复原
R1 R 2 < R3 R 4
也就是
积分输出正 开关 S 断开
积分输出电压 VA 上升到双限比较器的上限阀值时 第二阶段积分结束 重新进入第一阶段 形成振荡
设第一阶段的时间为 T1 当 S 断开时
第二阶段的时间为 T2
有
电容 C 上的充电电荷为
∆Q1 =
当 S 导通时
R1 × Vx × T1 (R1 + R 2)R3