电压频率转换

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

主要用于信号隔离和远距离传输

（1）在工业现场或较大装置的计算机测量控制系统中，由于各功能模块接地点的电位不同，它对系统内的各部分电路，尤其是对模拟电路的正常工作有着很大的影响。所以，测量现场的某些信号或控制设备往往要求相应的隔离，以保护主机正常工作，完成各项控制功能（见图）。（2）模拟信号在传输过程中容易受到各种噪声干扰，而经过v/F转换后的数字信号具有较强的抗干扰能力，故适宜远距离传输。(3)当隔离电压要求不是很高时可以用光电隔离器件来实现数据传送，而当隔离电压要求几千伏甚至上万伏时必须用光纤来传送。

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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多谐振荡式电荷平衡式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电极开路的n-p-n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VFC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与输入电压成正比，所以实现了电压/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VFC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VFC，而且不能对负输入信号积分。（如AD654和AD537)电荷平衡式VFC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。缺点是对电路要求较高，输入阻抗低(如AD650、AD652和VFC320)。2023/5/247VFC技术指标:增益与增益误差（GainandGainError)：

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增益温度系数（GainTemteratureCofficient）

增益温度系数是指满度频率的变化率作为温度变化（从+25℃至Tmin或Tmax）的函数。在10V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变化10℃

的作用是等效的。2023/5/249

线性误差（LinearityErrororNonlinearity）

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：VLO=10mv,VHI=10V,满度频率fFs.=100KHZ,最大频率误差为5HZ,对满度频率归一化为0.005%或50PPM。

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电源抑制比（PSRR-PowerSupplyRejectionRatio）

指当电源电压变化时VFC频率输出增量的变化特性。单位为PPM/%。例如:AD650输入电压为10V，在电源电压为±15V时，VFC输出频率为100kHZ。当电源为±12.5V时，电源电压变化率为1/6即16.7%。如果输出频率变为99.9KHZ。那么输出频率变化率为0.1%或1000PPm。从而PSRR=1000ppm/16.7%=60ppm/%。2023/5/2411AD652原理及应用AD652简介：

AD652是美国AD公司推出的一种高线性度电荷平衡式V/F转换芯片。

输出频率范围宽:2MHZ(MAX)

线性误差在满频度输出为1MHZ时最大为0.005%。增益误差：最大为1.5%（Fclk=4MHZ）

增益温度系数：最大为75ppm/℃

可与TTL或CMOS电平兼容，外接电路简单（仅需一个积分电容和上拉电阻）单极性或双极性供电：单极性0V~36V，双极性-18V~+18V.单极性或双极性输入信号：单极性输入信号0v~10v,双极性输入信号-5v~+5v.2023/5/2412

AD652组成及工作过程

它主要由积分器、比较器、与门、D触发器、锁存器、转换开关K、1mA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Q端控制转换开关K。当K打向积分器反向端，为积分器复位过程；当K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IntegrateMode（积分模式），一个是ResetMode（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=Iin×Ti；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：Iin×Ti=(1mA-Iin)×TrTr为输入时钟周期，（Tr+Ti）为输出脉冲周期。可见，在Rin、FCLC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

电阻温飘对频率输出曲线的影响2023/5/2417

AD652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2MΩ电阻与内部20KΩ并联，使20KΩ电阻有1%负偏差，然后用串连的500Ω来调整满刻度。失调补偿可以用20KΩ电位器跨接在脚2、脚3之间，中间抽头经250KΩ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：

ADC的分辨率、时钟频率和门控时间关系式为：TGATE*FOUTMAX=满刻度计数总数=N=2n(n为ADC的分辨率)，FOUTMAX=FCLK/2，

故门控时间TGATE=2*2n/FCLK。

例如要求ADC为12位分辨率，选择时钟频率FCLK为2MHZ,满度FOUTMAX

为1MHZ，那么门控时间TGATE=2*2n/FCLK=2*212/2MHz=4.096ms。如果改变时钟频率FCLk便可改变ADC的分辨率。这种ADC的缺点是转换速度较慢，属于双积分式ADC。例如AD652用4MHz时钟，最高输出2MHz频率构成的12位ADC,转换时间为2.048ms，所以不适宜作高速ADC应用场合。2023/5/2419

AD652元器件的选择

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。

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，则上拉电阻的阻值单稳电容COS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

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，以保证芯片标定的性能。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。在芯片电源供应端加入