張維昭，馬勝前，冉興萍

（西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 甘肅省原子分子物理與功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070）

在智能測(cè)量系統(tǒng)及自適應(yīng)信號(hào)處理系統(tǒng)中，經(jīng)常需要將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)或?qū)㈦妷盒盘?hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)[1-4]。但是由于頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片自身性能的限制，所設(shè)計(jì)的頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路能轉(zhuǎn)換的頻率范圍一般比較小，很難處理頻率比較高的信號(hào)。因此，為了解決這些問題，必須對(duì)頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路所允許輸入信號(hào)的頻率范圍進(jìn)行擴(kuò)展。

現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的方法是直接利用寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片，例如ADI公司生產(chǎn)的基于 ΣΔ技術(shù)的頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片AD7740、AD7741、AD652、AD654、AD650 及 ADVFC32 等[5-6]。 但是這些芯片構(gòu)成的頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的允許頻率范圍最大也只有3 MHz左右，而且芯片的成本較高，構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功耗較大。本文提出了一種利用分頻及放大原理對(duì)LM331的頻率轉(zhuǎn)換范圍進(jìn)行擴(kuò)展的方法，設(shè)計(jì)了一種寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，解決了一般頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換頻率低的問題。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框圖

基于LM331的寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由主控電路、分頻電路、頻率電壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路四部分組成。主控電路采用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片；分頻電路采用高速雙D型觸發(fā)器、十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器、雙 4選1數(shù)據(jù)選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)；頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路由頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片 LM331及一些電阻電容構(gòu)成；放大電路由運(yùn)算放大器、雙向模擬開關(guān)及電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

為了實(shí)現(xiàn)寬頻頻率電壓轉(zhuǎn)換，首先將整形后待處理信號(hào)經(jīng)400分頻后，由AT89S52單片機(jī)測(cè)量信號(hào)頻率并選擇合適的分頻比，控制分頻電路重新對(duì)整形后的信號(hào)進(jìn)行分頻；同時(shí)單片機(jī)控制放大電路產(chǎn)生相應(yīng)放大倍數(shù)的信號(hào)，重新分頻后的信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最后經(jīng)放大電路放大相應(yīng)的倍數(shù)后輸出以完成寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換。

1.2 基于LM331的寬頻頻率電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

1.2.1 頻率/電壓轉(zhuǎn)換

頻率/電壓轉(zhuǎn)換就是把輸入的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出的一種電路。輸出的電壓與輸入的脈沖頻率成線性關(guān)系，并可通過(guò)測(cè)量其輸出端的電壓值來(lái)間接測(cè)量輸入的脈沖頻率。頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路由專用的頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片LM331及少量的電阻電容組成。

LM331外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。LM331構(gòu)成的頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，經(jīng)放大整形后的信號(hào) Fi1經(jīng)過(guò) R1、C3組成的微分電路加到LM331的6腳。當(dāng)Fi1的下降沿到來(lái)時(shí)經(jīng)過(guò)微分電路將在6腳產(chǎn)生負(fù)向尖峰脈沖，當(dāng)負(fù)向尖峰脈沖大于VCC/3時(shí)LM331的內(nèi)部觸發(fā)器將置位，其內(nèi)部的電流源對(duì)電容CL充電，同時(shí)電源VCC通過(guò) Rt對(duì)電容 Ct充電。當(dāng) CL上的電壓大于 2VCC/3時(shí)，LM331內(nèi)部的觸發(fā)器復(fù)位，CL通過(guò)RL放電，同時(shí)定時(shí)電容Ct迅速放電，完成一次充放電過(guò)程。此后，每經(jīng)過(guò)一次充放電過(guò)程電路重復(fù)上面的工作過(guò)程，這樣就實(shí)現(xiàn)了頻率/電壓的轉(zhuǎn)換。LM331輸出的電壓Vf1與輸入信號(hào)頻率Fi1的關(guān)系可表示為：

式中Rs=Rs1+Rs2。由式(1)可知，只要合理調(diào)節(jié)電容值和電阻值就可以使輸出電壓隨輸入頻率線性變化。

圖2 頻率電壓轉(zhuǎn)換電路

1.2.2 分頻電路的設(shè)計(jì)

圖3 分頻電路

由于LM331最大電壓轉(zhuǎn)換頻率為100 kHz，要處理頻率較高的信號(hào)，首先需要對(duì)放大整形后的信號(hào)進(jìn)行分頻。分頻電路如圖3所示。分頻電路主要是由高速雙D型觸發(fā)器74ALS74、計(jì)數(shù)器74ALS168和數(shù)據(jù)選擇器74ALS153組成。當(dāng)待處理信號(hào)的頻率較高時(shí)，先將其400分頻后送入主控電路測(cè)量頻率并選擇合適的分頻比，進(jìn)行不分頻、4分頻、40分頻或400分頻。這時(shí)分頻電路設(shè)計(jì)的脈沖占空比為50%，滿足頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路要求輸入脈沖信號(hào)的占空比必須為30%以上的要求。

1.2.3 程控放大電路的設(shè)計(jì)

待處理信號(hào)經(jīng)分頻電路分頻并完成頻率/電壓轉(zhuǎn)換后，需程控放大電路按照相應(yīng)的分頻比對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大。程控放大電路如圖4所示，該電路由運(yùn)算放大器OP37、4雙向模擬開關(guān)CD4066及電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。主控芯片AT89S52單片機(jī)通過(guò)寫不同的控制字控制模擬開關(guān)選擇合適的電阻網(wǎng)絡(luò)，從而調(diào)節(jié)放大電路的放大倍數(shù)。

圖4 程控放大電路

該電路的特點(diǎn)是把電阻網(wǎng)絡(luò)及模擬開關(guān)接在運(yùn)算放大器的反相輸入端之前，使得模擬開關(guān)的電阻對(duì)放大倍數(shù)幾乎沒有影響。在運(yùn)算放大器的1引腳和8引腳接Rp用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器的調(diào)零。該電路可以實(shí)現(xiàn)不放大、放大 4倍、放大 40倍、放大 400倍。

2 軟件設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電完成器件初始化后，等待啟動(dòng)鍵K2按下。當(dāng)K2鍵按下時(shí)啟動(dòng)頻率測(cè)量，當(dāng)待測(cè)頻率變化時(shí)單片機(jī)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算并通過(guò)P1口輸出合適的控制字，控制分頻電路和放大電路選擇對(duì)應(yīng)的分頻比和放大倍數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)結(jié)束鍵K3按下時(shí)系統(tǒng)停止工作，否則重復(fù)前面的步驟。

圖5 程序流程圖

當(dāng)單片機(jī)測(cè)得信號(hào)的頻率在75 kHz～10 kHz之間時(shí)，信號(hào)將被400分頻后輸入頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)放大電路會(huì)選擇放大400倍的檔位；當(dāng)測(cè)得信號(hào)的頻率在10 kHz～4 kHz之間時(shí)，信號(hào)將被40分頻后輸入頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)放大電路會(huì)選擇放大40倍的檔位；當(dāng)測(cè)得信號(hào)的頻率在 4 kHz～250 Hz之間時(shí)，信號(hào)將被4分頻后輸入頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)放大電路會(huì)選擇放大4倍的檔位；當(dāng)測(cè)得信號(hào)的頻率小于250 Hz時(shí)，待處理信號(hào)不分頻直接輸入頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)放大電路變成了電壓跟隨器，不對(duì)待處理信號(hào)進(jìn)行放大。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 低頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)測(cè)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)信號(hào)頻率較低時(shí)，可將整形后的信號(hào)直接加入頻率電壓轉(zhuǎn)換電路，而不經(jīng)過(guò)分頻電路。直接選取Rt=910 Ω，RL=19 kΩ，Rs=14.5 kΩ，Ct=0.01 μF，當(dāng)輸入 信號(hào)的頻率小于100 kHz時(shí)，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 低頻頻率電壓轉(zhuǎn)換實(shí)測(cè)值與理論值比較

3.2 寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)測(cè)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中， 選取 Rt=910 Ω，RL=190 Ω，Rs=14.5 kΩ，Ct=0.01 μF。 當(dāng)輸入信號(hào)頻率范圍在 100 kHz～30 MHz之間時(shí)，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 寬頻頻率電壓轉(zhuǎn)換實(shí)測(cè)值與理論值比較

比較分析以上結(jié)果可知，利用分頻電路和放大電路可以實(shí)現(xiàn)基于LM331的頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路頻率范圍的擴(kuò)展，有效地解決了現(xiàn)有頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換頻率不高的問題。但是該電路在信號(hào)頻率較小時(shí)，轉(zhuǎn)換后的電壓誤差較大，這可能是由于頻率/電壓變換系數(shù)較小的原因。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于LM331的寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路利用由高速雙D型觸發(fā)器74ALS74、計(jì)數(shù)器74ALS168和數(shù)據(jù)選擇器74ALS153組成的分頻電路以及由運(yùn)算放大器OP37、4雙向模擬開關(guān)CD4066和電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的放大電路對(duì)LM331的頻率/電壓轉(zhuǎn)換范圍進(jìn)行了擴(kuò)展。設(shè)計(jì)的寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路所允許輸入信號(hào)頻率范圍為1 kHz～30 MHz，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，功耗小，可以應(yīng)用于傳感器測(cè)量、電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量、自適應(yīng)信號(hào)處理等領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景。

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