基于AD650的頻壓轉(zhuǎn)換器提高轉(zhuǎn)換精度的方法研究

張翠平+豐永

摘 要

AD650用作頻壓轉(zhuǎn)換器時，在實際使用過程中存在諸多問題，影響轉(zhuǎn)換精度。為靈活應(yīng)用該芯片，在分析頻率信號在電路中流向及變換的基礎(chǔ)上，提出了如何計算并根據(jù)需要優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)、選取合適材質(zhì)的外部阻容器件以及改變數(shù)據(jù)手冊中典型電路的用法等方法改善轉(zhuǎn)換精度。最后根據(jù)實際案例，驗證方法的正確性和可行性，實現(xiàn)了頻率與電壓信號的線性變換，提高了轉(zhuǎn)換精度。

【關(guān)鍵詞】AD650 頻壓轉(zhuǎn)換 優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù) 轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)速測量在航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、家用電器等各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，通常是某一產(chǎn)品或系統(tǒng)的核心部分。測量轉(zhuǎn)速傳感器輸出的是脈沖信號。脈沖信號的頻率與轉(zhuǎn)速成正比，通過測量頻率就可以得到轉(zhuǎn)速。測量頻率有兩種方法，一種是通過專用頻壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號進行測量，另一種是采用計數(shù)的方式來實現(xiàn)。本文主要介紹的就是在頻壓轉(zhuǎn)換電路中常用的典型芯片AD650。在使用AD650時，通常按照數(shù)據(jù)手冊提供的典型電路實現(xiàn)，但在實際應(yīng)用過程中卻存在很多問題，比如輸出零位問題、線性問題等，影響了轉(zhuǎn)換精度。

1 AD650的概述

1.1 AD650的典型電路

AD650是美國AD公司推出的高精度電壓頻率（V/F）轉(zhuǎn)換器，它由積分器、比較器、精密電流源、單穩(wěn)多諧振蕩器和輸出晶體管組成。AD650 既能用作電壓頻率轉(zhuǎn)換器， 又可用作頻率電壓轉(zhuǎn)換器。依據(jù)數(shù)據(jù)手冊，AD650在用作頻壓轉(zhuǎn)換器的典型電路如圖1所示。

1.2 信號鏈分析

在做F/V轉(zhuǎn)換時，AD650接收的信號需是方波信號，因此進入AD650前需對被測信號進行整形。根據(jù)圖1的電路，經(jīng)整形后的方波信號在電路中的流向及變換如圖2所示。

圖2中Fin端信號是轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖經(jīng)整形之后的方波信號，經(jīng)微分電路后在圖1中的B點得到方波信號的下降沿，該信號與AD650內(nèi)部的電壓比較器比較，當下降沿來到時，比較器輸出高電平，觸發(fā)單穩(wěn)多諧振蕩器輸出固定時間的高電平，該信號控制電流源開關(guān)將1mA的電流源打到積分電容Cint端，對積分電容Cint進行充電，充電時間是由電容Cos決定的，輸入脈沖的頻率越高，電容Cint上累積的電荷就越多，輸出電壓（電容Cint兩端的電壓）就越高，當Rint上的漏電流與Cint上的充電電流相等時，Cint兩端電壓保持穩(wěn)定，此時，運放的輸出平均電壓與輸入頻率成正比的線性函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)了線性的F/V信號轉(zhuǎn)換。

1.3 參數(shù)設(shè)計

從以上分析可以看出，為保證F/V轉(zhuǎn)換的正常進行，有幾個關(guān)鍵參數(shù)需要確定，主要是Cos，Cint，Rint等。參數(shù)計算過程如下所示。

（1）確定輸入的最小頻率（fmin）、輸入的最大頻率（fmax）、響應(yīng)時間（Response Time）、滿量程電壓輸出（Full Scale Voltage）、可接受的紋波最大值（Maximum Acceptable Ripple）；

2 應(yīng)用實例

2.1 實例背景

為方便說明問題，本課題以一個實例進行分析。假設(shè)被測發(fā)動機轉(zhuǎn)速0-48000r/min，要求輸出電壓范圍0.1 - 4.9 V，得fmin=0Hz，fmax=800Hz，Voutmax=4.9，響應(yīng)時間1s，不考慮紋波。根據(jù)上述計算得，Cos=0.165uF，Rint=5.444k，Cint=30.615uF，根據(jù)此組參數(shù)，選擇電容為多層瓷片電容，電阻為金屬膜電阻。

2.2 調(diào)試過程中遇到的問題

按圖1的典型電路連接，并使用上述計算所得的參數(shù)，得到如下結(jié)果：

（1）輸入為0-800Hz時，輸出滿足0到4.9，在較短時間內(nèi)基本成線性關(guān)系；

（2）輸入頻率高于800Hz時，根據(jù)使用要求，輸出值應(yīng)大于4.9V；但實際

測試時，高于800Hz時輸出值固定在3-4.9范圍內(nèi)的某個值；

（3）頻率較高時，比如接近800Hz時，斷電再重新上電后，輸出從某個確定值經(jīng)數(shù)小時后漂移到另一個確定值，漂移值有200mV左右。

2.3 影響因素及解決方案

針對上述調(diào)試過程中存在的問題，分析了出現(xiàn)問題的原因并提出了解決方案：

（1）根據(jù)使用要求，當輸入為0時，輸出為0.1，典型電路接法當輸入為0時，輸出理論上也應(yīng)為0；為更靈活應(yīng)用芯片，解決方法是利用芯片內(nèi)部放大器，疊加一個0.1V基準電壓即可，基準電壓由對基準源AD580輸出的2.5V電壓通過R4和R5進行分壓產(chǎn)生。具體如圖3和圖4所示。

（2）當輸入頻率高于800Hz時，輸出應(yīng)大于4.9V，否則根據(jù)采集到的電壓無法正確判斷當前的輸入值是多少，為解決這個問題，通過實驗驗證，在計算元器件參數(shù)時，調(diào)整式（a）中fmax的值，設(shè)定為測量值的1.5倍左右，按照這個參數(shù)算出的Cos近似取0.1uF，這樣當輸入頻率大于800Hz之后，輸出值基本保持在5.5V左右，而輸入頻率低于800Hz時，輸出保持線性關(guān)系。

（3）根據(jù)式（d）求出的Cint=30.615uF，根據(jù)實際調(diào)試結(jié)果，只要后續(xù)加合適的濾波電路，消除紋波影響，該電容值可以適當減小。實例中將Cint=4.7uF，后端加四階低通濾波電路，如圖所示5所示，大大消除紋波，并且降低了電容容值，方便了電容的選型。

（4）通過實驗驗證，時漂問題產(chǎn)生的原因是AD650用作F/V轉(zhuǎn)換時是基于電荷平衡原理的，單穩(wěn)定時電容器被不斷充電、放電，然后開路，此時電容器可能恢復(fù)一些電荷，從而導致轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生線性誤差并且使建立時間變壞。這種現(xiàn)象是源于瓷片電容的電介質(zhì)吸收效應(yīng)，將瓷片電容更換為介質(zhì)吸收效應(yīng)小的金屬化聚苯硫醚電容后，時漂問題解決。

3 實驗結(jié)果及分析

基于圖3、圖4和圖5的電路圖搭建了電路，并根據(jù)上述解決方案中重新修正了幾個關(guān)鍵參數(shù)，在電容材質(zhì)選擇上選取了介質(zhì)吸收效應(yīng)小的電容，電阻選擇貼片器件，測試效果如圖6和圖7所示。endprint

圖6中1號波形是整形后的方波信號，為兼顧低頻部分，高頻時候上升沿有些失真，但從圖2中信號流向分析可以看出，AD650只需要下降沿部分，故不會影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖中2號波形是圖1中B點的信號，3號波形是圖1中C點信號，4號波形是圖1中D點信號。從圖3中可以明顯看出，當方波信號的下降沿來時，單穩(wěn)觸發(fā)器輸出一個固定時間的負脈寬，此時從4號波形上可以看出，電容在充電，當脈寬結(jié)束后，電容放電。下一個脈寬來時，電容再充電，如此往復(fù)，得到一個與頻率成正比的脈動的直流信號。圖7所示是脈動的直流信號經(jīng)四階低通濾波后得到的波形，示波器縱坐標每格50mv時，經(jīng)濾波后輸出的波形，近似一條直線，大大提高了轉(zhuǎn)換精度。

4 結(jié)束語

根據(jù)以上分析，設(shè)計了基于AD650的頻壓轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)實驗調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)的值并結(jié)合理論計算和實驗結(jié)果給出經(jīng)驗計算方法，選擇介質(zhì)吸收效應(yīng)小的金屬化聚苯硫醚電容，解決了AD650在F/V轉(zhuǎn)換過程中存在的精度問題，目前所設(shè)計的基于AD650的頻壓變換器已量產(chǎn)，滿量程800Hz范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換精度達到0.1%。

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作者簡介

張翠平（1982-），女，博士研究生在讀。講師。主要研究領(lǐng)域為傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計、智能傳感器的設(shè)計、測控技術(shù)。

豐永（1982-），男，大學本科學歷。高級工程師。主要研究領(lǐng)域為智能傳感器設(shè)計。

作者單位

1.南京理工大學紫金學院 江蘇省南京市 210046

2.南京高華科技有限公司 江蘇省南京市 210049endprint