基于頻率轉電壓的電路設計?

郭 濤 劉啟明 古依聰 劉葉琦 石 帥

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室 太原 030051）

1 引言

電壓轉頻率的方法有好多種，常用的主要有兩種方法，大致分為兩種類型，分別為多諧振蕩型和電荷平衡型。它們兩者之間各有利弊，前者轉換的過程主要分為三步。第一步：電壓的轉換，將電壓信號轉換為電流信號；第二步：對于電容進行充放電，以著電流信號進行充放電；第三步：實現頻率、電壓的轉換。后者轉換的過程分為四步走。第一步：通過輸入信號對積分器進行充電；第二步：設定比較器的閾值，積分器輸出端與閾值比對；第三步：大于閾值時，電荷源被觸發(fā)；第四步：觸發(fā)后，積分器進行放電，實現頻率與電壓之間轉換（實質為輸入信號與觸發(fā)頻率之間的對應比例關系）。由此可知，其涵蓋三部分：積分器、比較器和電荷源［3］。除此之外，也存在一種利用微處理器進行頻率/電壓信號的轉變，通過對前端分壓電阻的控制，使微處理器進行波形計數并使用計得的頻率設置PWM波形輸出的頻率，但在實現電壓轉頻率過程中，存在輸入電壓范圍有限、存在延時的情況，在實際應用當中適應范圍較?。?］。

采用多諧振蕩器的頻率-電壓轉換電路具有簡單、廉價、功耗低等優(yōu)點，但其精度低于電荷平衡頻率-電壓轉換電路，與此同時，針對于負輸入信號，瞬態(tài)是無法積分的。然而，電荷平衡型頻率-電壓轉換具有更高的精度，并且還可以針對于負輸入信號進行處理。一般采用特定的頻率對電壓集成芯片或者分離元件進行頻率轉電壓信號的變換［7］。

綜上所述，相對比多諧振蕩型而言，電荷平衡型F/V電路主要涵蓋兩處優(yōu)點，分別為高精度，具備負輸入信號處理能力。相對于利用微處理器方法進行頻率轉電壓，存在延時，相對于之前的兩種方法而言，工程量相對較大，在工業(yè)實際需求方面上，較難滿足［8］，但是對于電荷平衡式而言，也存在著不足，例如芯片對于溫度影響較大，可能存在溫漂的現象，針對于這類問題，也考察了一系列的芯片，最終選擇LM231芯片，采用新型溫度補償能量隙參考電路，在工作溫度范圍能夠正常工作，溫漂比較小，彌補溫漂等所存在的問題。在頻率轉電壓上得到了廣泛的應用。因此，本文將選用電荷平衡式頻率轉電壓方法進行硬件電路設計，實現了1kHz～4kHz頻率到1.2V～4.98V和100Hz～800Hz頻率到0.65V～5.0V電壓的轉化［9］。

2 頻率轉電壓的電路設計

該設計的頻率轉電壓的電路主要涵蓋5個部分，包括：電源配置電路、隔離電路、信號產生電路、F/V電路、信號調理電路；頻率轉電壓電路在于把頻率參數轉換為電壓的參數，在信號的處理和控制上具有重要的意義。在此，電源配置電路是電路不可或缺的一部分，對整體電路進行供電支持，針對于不同的芯片供電要求，由電源配置電路進行適當的調整；隔離電路在于把信號地與電源地給分離開來，減少信號端干擾；信號產生電路的作用是把信號調理為ttl信號，用于后期信號處理驗證；F/V電路為核心電路，整個轉換電路的性能由該模塊設計的好壞直接決定；信號調理電路包括濾波和放大兩部分，濾波部分對無用的信號進行濾除，去除電路中所存在的紋波信號，提高信噪比，保證信號穩(wěn)定輸出；放大部分對電壓進行放大，以滿足頻率與電壓之間地對應比例關系。

2.1 電源配置電路

本次電源供電采用外接電源DC正負15V供電，信號產生電路在此設置為雙電源供電，可以外接電源正負15V直接供電，濾波部分放置在電源輸入端和信號輸出端之后，F/V電路和隔離電路均為單電源供電，F/V電路可由外接電源+15V直接供電，針對于隔離模塊，在此選用LT1764A芯片將外接電源轉換為+5V進行供電，+5V配置電路如圖1所示，針對于放大電路，采用的雙電源供電，供電電壓設置為正負5伏，+5V由LT1764A芯片配置，-5V

圖1 +5V配置電路

選用7660芯片進行配置，負5伏電壓配置電路如圖2所示。

圖2 -5V配置電路

+5V配置公式如下所示：

選定AT為25℃時，IADJ為3uA，為了配置5V輸出，調整R2為100k時，R1為34.7k，選精度為1%的金屬膜電阻，定標稱值為34.8k。

2.2 隔離電路

在電路設計當中，控制電路和開關之間需要良好的電氣隔離，因此需要把信號輸入端與后續(xù)處理電路隔離開來，減少輸入信號對后端電路的影響。綜合考證了許多器件的特性、工作原理、對應關系等，最終選取6N137隔離芯片，其內部探測器主要由三部分組成，包括：光電二極管、高增益線性運算和開放集電極肖特基鉗位三極管。當有電流通過引腳2和引腳3（一般為30ma）時，發(fā)光二極管工作，發(fā)出光亮，光敏二極管受光后，反向偏置接通，其輸出端與引腳7構成了一個與門，進而控制三極管是否打開，輸出是高電平還是低電平，實現是信號隔離問題。電路設計如圖3所示。

圖3 隔離電路

當輸入信號電流小于閾值（一般為3mA，最大限度為5mA）或者使能端為低電平的時候（此處不予考慮），輸出為高電平。信號的輸入、輸出對應關系如表1所示。

表1 信號輸入與輸出對應關系

2.3 信號產生電路

選用可調幅度、頻率的方波信號進行驗證，在此設計運放方波發(fā)生器，由于方波信號只有高電平和低電平兩種狀態(tài)，為了要產生這兩種狀態(tài)，電壓比較器成為方波發(fā)生器的不可或缺的一部分；并且由于兩種狀態(tài)需要連續(xù)性相互轉換，即產生振蕩并引入負反饋；由于輸出的狀態(tài)應在一定的時間間隔內變更，即需要延時環(huán)節(jié)進行來維持這一段時間?？赏ㄟ^調整電源值、電容值調整輸出脈沖信號的幅度和相應的頻率［10］。脈沖信號電路設計如圖4所示。

圖4 信號發(fā)生電路設計

所對應的仿真結果如圖5所示。

圖5 信號發(fā)生電路仿真結果

2.4 F/V電路

F/V電路模塊是整個電路設計重要組成部分，該部分的設計直接影響到電路的整體性能。本次F/V電路模塊選用的是LM231芯片，LM231芯片，采用新型溫度補償能量隙參考電路，在工作溫度范圍能夠正常工作，精度高，溫漂比較小，彌補溫漂等所存在的問題。并且動態(tài)范圍大，線性度好，失真小［9］。外圍電路設計如圖6所示。

圖6 F/V轉換電路

針對于F/V轉換電路，其輸入信號（信號發(fā)生器輸出端）將通過微分器（C5和R12組成）進入比較器的反向輸入端，針對于比較器的同相輸入端，電源將通過電阻（R13、R14）分壓獲取，RS（R16、R3006P）一來調整輸出電壓和頻率的對應關系，二來調整2引腳通路電流，電流大小為0.372mA，2引腳基準電壓為1.7V～2.08V，調整電流需維持基準電壓在規(guī)定的電壓范圍之內（1.7V～2.08V），以保證器件的正常運行。

LM231內部結構如圖7所示。從引腳6輸入脈沖信號，將信號處于下降沿時候，引腳6處的電壓低于同相端，輸出結果將導致RS觸發(fā)器發(fā)生置位，Q端輸出，輸出為高電平，RS觸發(fā)器接下來的輸出走向朝上進行。通過電流開關，電流開關連接到引腳1，鏡像電流源對電容CL（C8）充電，引腳1輸出高電平。同時，由于RS觸發(fā)器輸出為Q輸出，復位晶體管被切斷，電源VCC通過電阻RT（R15）對電容CT（C7）充電。針對于定時器反向輸入電壓，當電容CT（R7）大于其電壓（2/3Vcc），定時器輸出高電平，RS觸發(fā)器被復位。同時，引腳6處的電壓值高于引腳7處，Q端處輸出低電平，電流開關處于斷開狀態(tài)，接下來與引腳1相連接，對外部電路進行放電（CL通過電阻RL即R17進行放電），引腳1電壓穩(wěn)定輸出，與此同時，復位晶體管導通，CT（C7）向外部電路進行放電。當下一個脈沖信號下降沿到達時，重復一遍上述過程，實現頻率與電壓的轉換。

圖7 內部結構圖

配置公式如下所示：

RL（R17）和CL（C8）組成RC網絡，定時器比較器同相輸入端被RT（R15）、CT（C7）組成， fIN為6引腳輸入脈沖信號的頻率。

2.5 信號調理電路

為了消除F/V轉換電路中直流信號中存在的紋波信號以及濾出電容放電引起的紋波干擾，將從兩處進行消除［11］，第一處：在電源處，連接0.1uF接地，在根源處消除紋波信號；第二處：在F/V模塊1引腳輸出端處，連接51Ω電阻、0.1uF電容接地，外接穩(wěn)壓管，信號輸出，以保證輸出信號為純凈的直流信號，消除直流信號中存在的紋波信號，調理電路如圖8所示。

圖8 信號調理電路

LM231頻率轉電壓模塊電壓輸出范圍受限，為了滿足頻率與電壓之間相對應關系，將進一步對信號進行放大處理，滿足實際的需求［12］。在設計放大電路時，應保證高增益和低噪聲的同時也要注重對抗干擾和抑制噪聲的能力，與此同時，也要考慮高信噪比等特點。本次選用的是亞德諾公司的放大器ADA4896-2，具有低噪聲、單位增益穩(wěn)定、軌對軌輸出特點。本系統(tǒng)設計的放大電路如圖9所示。

圖9 放大電路設計

放大電路增益（G）為

通過電路仿真軟件Multisim進行仿真，當輸入電壓為1V直流時，輸出為3V直流，增益為3，仿真結果如圖10所示，根據相應的需要進行調整。

圖10 放大電路Multisim仿真結果

3 試驗結果分析

通過對于F/V整體電路的測試，信號幅值選定2.5Vpp，直流偏離1.25V，頻率點取值為從1kHz-4 kHz，測量相對頻率點的電壓值，頻率/電壓輸出關系如表2所示。

表2 頻率/電壓輸出關系

圖11 電壓頻率擬合直線

與此同時，也相應地對于F/V轉換電路做出相應的測試調整，以來適應多種參數需求。在此，調整RS，前提確保2引腳處基準電流為0.372mA左右，電壓為1.7V～2.08V范圍內，實測2.5Vpp，頻率范圍為100Hz～800Hz的信號，測得相對應的輸出電壓，表3為電壓、頻率的對應關系，相應得到擬合直線如圖12所示。

表3 頻率/電壓輸出關系

圖12 電壓頻率擬合直線

4 結語

本文針對信號傳輸性的問題產開，為了更好地將信號進行遠距離傳輸，使信號在傳輸的過程中不受到干擾而發(fā)生失真［13］，本文設計一款線性度為0.8%，精度為1%的F/V轉換電路，實現了1kHz～4kHz頻率到1.2V～4.98V和100Hz～800Hz頻率到0.65V～5.0V電壓的轉化，可應用于傳感器測量、轉速計和電機的轉速測量等，應用范圍廣泛。