郭 濤 劉啟明 古依聰 劉葉琦 石 帥

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）

1 引言

電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的過程主要分為三步。第一步：電壓的轉(zhuǎn)換，將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號；第二步：對于電容進(jìn)行充放電，以著電流信號進(jìn)行充放電；第三步：實(shí)現(xiàn)頻率、電壓的轉(zhuǎn)換。后者轉(zhuǎn)換的過程分為四步走。第一步：通過輸入信號對積分器進(jìn)行充電；第二步：設(shè)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(shí)，電荷源被觸發(fā)；第四步：觸發(fā)后，積分器進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)頻率與電壓之間轉(zhuǎn)換（實(shí)質(zhì)為輸入信號與觸發(fā)頻率之間的對應(yīng)比例關(guān)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(jìn)行頻率/電壓信號的轉(zhuǎn)變，通過對前端分壓電阻的控制，使微處理器進(jìn)行波形計(jì)數(shù)并使用計(jì)得的頻率設(shè)置PWM波形輸出的頻率，但在實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)頻率過程中，存在輸入電壓范圍有限、存在延時(shí)的情況，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中適應(yīng)范圍較小［6］。

采用多諧振蕩器的頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路具有簡單、廉價(jià)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，但其精度低于電荷平衡頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路，與此同時(shí)，針對于負(fù)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(zhuǎn)換具有更高的精度，并且還可以針對于負(fù)輸入信號進(jìn)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(jìn)行頻率轉(zhuǎn)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(diǎn)，分別為高精度，具備負(fù)輸入信號處理能力。相對于利用微處理器方法進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)電壓，存在延時(shí)，相對于之前的兩種方法而言，工程量相對較大，在工業(yè)實(shí)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(xiàn)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(bǔ)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(bǔ)溫漂等所存在的問題。在頻率轉(zhuǎn)電壓上得到了廣泛的應(yīng)用。因此，本文將選用電荷平衡式頻率轉(zhuǎn)電壓方法進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了1kHz～4kHz頻率到1.2V～4.98V和100Hz～800Hz頻率到0.65V～5.0V電壓的轉(zhuǎn)化［9］。

2 頻率轉(zhuǎn)電壓的電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的頻率轉(zhuǎn)電壓的電路主要涵蓋5個(gè)部分，包括：電源配置電路、隔離電路、信號產(chǎn)生電路、F/V電路、信號調(diào)理電路；頻率轉(zhuǎn)電壓電路在于把頻率參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓的參數(shù)，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(jìn)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(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)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(chǎn)生電路的作用是把信號調(diào)理為ttl信號，用于后期信號處理驗(yàn)證；F/V電路為核心電路，整個(gè)轉(zhuǎn)換電路的性能由該模塊設(shè)計(jì)的好壞直接決定；信號調(diào)理電路包括濾波和放大兩部分，濾波部分對無用的信號進(jìn)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(jìn)行放大，以滿足頻率與電壓之間地對應(yīng)比例關(guān)系。

2.1 電源配置電路

本次電源供電采用外接電源DC正負(fù)15V供電，信號產(chǎn)生電路在此設(shè)置為雙電源供電，可以外接電源正負(fù)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(xiàn)/V電路和隔離電路均為單電源供電，F(xiàn)/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(zhuǎn)換為+5V進(jìn)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(shè)置為正負(fù)5伏，+5V由LT1764A芯片配置，-5V

圖1 +5V配置電路

選用7660芯片進(jìn)行配置，負(fù)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(shí)，IADJ為3uA，為了配置5V輸出，調(diào)整R2為100k時(shí)，R1為34.7k，選精度為1%的金屬膜電阻，定標(biāo)稱值為34.8k。

2.2 隔離電路

在電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，控制電路和開關(guān)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(yīng)關(guān)系等，最終選取6N137隔離芯片，其內(nèi)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(yùn)算和開放集電極肖特基鉗位三極管。當(dāng)有電流通過引腳2和引腳3（一般為30ma）時(shí)，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(gòu)成了一個(gè)與門，進(jìn)而控制三極管是否打開，輸出是高電平還是低電平，實(shí)現(xiàn)是信號隔離問題。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 隔離電路

當(dāng)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(shí)候（此處不予考慮），輸出為高電平。信號的輸入、輸出對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 信號輸入與輸出對應(yīng)關(guān)系

2.3 信號產(chǎn)生電路

選用可調(diào)幅度、頻率的方波信號進(jìn)行驗(yàn)證，在此設(shè)計(jì)運(yùn)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(chǎn)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(zhuǎn)換，即產(chǎn)生振蕩并引入負(fù)反饋；由于輸出的狀態(tài)應(yīng)在一定的時(shí)間間隔內(nèi)變更，即需要延時(shí)環(huán)節(jié)進(jìn)行來維持這一段時(shí)間?？赏ㄟ^調(diào)整電源值、電容值調(diào)整輸出脈沖信號的幅度和相應(yīng)的頻率［10］。脈沖信號電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 信號發(fā)生電路設(shè)計(jì)

所對應(yīng)的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 信號發(fā)生電路仿真結(jié)果

2.4 F/V電路

F/V電路模塊是整個(gè)電路設(shè)計(jì)重要組成部分，該部分的設(shè)計(jì)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(bǔ)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(bǔ)溫漂等所存在的問題。并且動態(tài)范圍大，線性度好，失真?。?］。外圍電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 F/V轉(zhuǎn)換電路

針對于F/V轉(zhuǎn)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(jìn)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(diào)整輸出電壓和頻率的對應(yīng)關(guān)系，二來調(diào)整2引腳通路電流，電流大小為0.372mA，2引腳基準(zhǔn)電壓為1.7V～2.08V，調(diào)整電流需維持基準(zhǔn)電壓在規(guī)定的電壓范圍之內(nèi)（1.7V～2.08V），以保證器件的正常運(yùn)行。

LM231內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。從引腳6輸入脈沖信號，將信號處于下降沿時(shí)候，引腳6處的電壓低于同相端，輸出結(jié)果將導(dǎo)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(jìn)行。通過電流開關(guān)，電流開關(guān)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(shí)，由于RS觸發(fā)器輸出為Q輸出，復(fù)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(shí)器反向輸入電壓，當(dāng)電容CT（R7）大于其電壓（2/3Vcc），定時(shí)器輸出高電平，RS觸發(fā)器被復(fù)位。同時(shí)，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(guān)處于斷開狀態(tài)，接下來與引腳1相連接，對外部電路進(jìn)行放電（CL通過電阻RL即R17進(jìn)行放電），引腳1電壓穩(wěn)定輸出，與此同時(shí)，復(fù)位晶體管導(dǎo)通，CT（C7）向外部電路進(jìn)行放電。當(dāng)下一個(gè)脈沖信號下降沿到達(dá)時(shí)，重復(fù)一遍上述過程，實(shí)現(xiàn)頻率與電壓的轉(zhuǎn)換。

圖7 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

配置公式如下所示：

RL（R17）和CL（C8）組成RC網(wǎng)絡(luò)，定時(shí)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(diào)理電路

為了消除F/V轉(zhuǎn)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(jìn)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(diào)理電路如圖8所示。

圖8 信號調(diào)理電路

LM231頻率轉(zhuǎn)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(yīng)關(guān)系，將進(jìn)一步對信號進(jìn)行放大處理，滿足實(shí)際的需求［12］。在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，應(yīng)保證高增益和低噪聲的同時(shí)也要注重對抗干擾和抑制噪聲的能力，與此同時(shí)，也要考慮高信噪比等特點(diǎn)。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(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的放大電路如圖9所示。

圖9 放大電路設(shè)計(jì)

放大電路增益（G）為

通過電路仿真軟件Multisim進(jìn)行仿真，當(dāng)輸入電壓為1V直流時(shí)，輸出為3V直流，增益為3，仿真結(jié)果如圖10所示，根據(jù)相應(yīng)的需要進(jìn)行調(diào)整。

圖10 放大電路Multisim仿真結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)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(diǎn)取值為從1kHz-4 kHz，測量相對頻率點(diǎn)的電壓值，頻率/電壓輸出關(guān)系如表2所示。

表2 頻率/電壓輸出關(guān)系

圖11 電壓頻率擬合直線

與此同時(shí)，也相應(yīng)地對于F/V轉(zhuǎn)換電路做出相應(yīng)的測試調(diào)整，以來適應(yīng)多種參數(shù)需求。在此，調(diào)整RS，前提確保2引腳處基準(zhǔn)電流為0.372mA左右，電壓為1.7V～2.08V范圍內(nèi)，實(shí)測2.5Vpp，頻率范圍為100Hz～800Hz的信號，測得相對應(yīng)的輸出電壓，表3為電壓、頻率的對應(yīng)關(guān)系，相應(yīng)得到擬合直線如圖12所示。

表3 頻率/電壓輸出關(guān)系

圖12 電壓頻率擬合直線

4 結(jié)語

本文針對信號傳輸性的問題產(chǎn)開，為了更好地將信號進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，使信號在傳輸?shù)倪^程中不受到干擾而發(fā)生失真［13］，本文設(shè)計(jì)一款線性度為0.8%，精度為1%的F/V轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)了1kHz～4kHz頻率到1.2V～4.98V和100Hz～800Hz頻率到0.65V～5.0V電壓的轉(zhuǎn)化，可應(yīng)用于傳感器測量、轉(zhuǎn)速計(jì)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量等，應(yīng)用范圍廣泛。