馬其琪， 趙 林， 郭 濤， 閆明明

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051)

0 引 言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，脈沖信號(hào)在通信領(lǐng)域具有越來(lái)越重要的作用。在高分子光電檢測(cè)領(lǐng)域[1]，將BI-200SM廣角激光散射儀在檢測(cè)高分子材料時(shí)所產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生數(shù)字相關(guān)器能夠識(shí)別的脈沖信號(hào)，用以測(cè)算它們的納米顆粒分布情況和Zimm、Berry、Debye曲線、相對(duì)分子質(zhì)量等系數(shù)。由此可見(jiàn)，脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換精度是高分子材料檢測(cè)精度的重要影響因素之一。為了提高檢測(cè)精度，脈沖信號(hào)的調(diào)制是至關(guān)重要的。本文設(shè)計(jì)的VFC電路輸出的波形經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制電路后，能夠應(yīng)用于高分子材料檢測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換速度快和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 VFC脈寬調(diào)制電路原理

散射儀中光電倍增管接收的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)VFC轉(zhuǎn)換電路形成脈沖串，然后再經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制形成了幅值、頻率和脈寬都能被數(shù)字相關(guān)儀所識(shí)別的脈沖信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字相關(guān)儀計(jì)算即可得到想要的參數(shù)(見(jiàn)圖1)。根據(jù)V/F轉(zhuǎn)換芯片原理的不同，本文選擇了兩種常用的VFC芯片進(jìn)行選型[2-3]。

圖2、3介紹了這兩種不同原理的V/F芯片內(nèi)部邏輯電路，其中AD652是一種同步電荷平衡式V/F芯片，VFC110則是異步電荷平衡式的V/F芯片。兩類電荷平衡式VFC的基本原理相同,但在細(xì)節(jié)上又有較大區(qū)別。實(shí)際上，電壓頻率變換器只是做到了將電壓轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào),最終的頻率還需要通過(guò)計(jì)數(shù)器或者數(shù)字相關(guān)器來(lái)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)并通過(guò)計(jì)算得到。

通過(guò)查閱芯片資料發(fā)現(xiàn)，AD652可以將0～10 V的電壓信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為0～2 MHz的脈沖信號(hào)，支持的最大外部晶振頻率為4 MHz，當(dāng)輸出為2 MHz時(shí)，線性失真度為±0.02%[4]；VFC110則可以將0～10 V的電壓信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為0～4MHz的脈沖信號(hào)(不需要外部晶振)，當(dāng)輸出2 MHz時(shí)，線性失真度同樣也為±0.02%[5]。相比較而言，VFC110的性能要比AD652好。本文電路主要是以VFC110為核心設(shè)計(jì)的。

圖4介紹了一種以VFC110為核心的V/F轉(zhuǎn)換電路[6]，通過(guò)改變電路中的輸入電阻就可以實(shí)現(xiàn)改變輸出頻率的目的，供電電壓選擇±15 V。

2 V/F芯片脈寬輸出分析

為了滿足數(shù)字相關(guān)器實(shí)際要求，需對(duì)輸出頻率的脈寬進(jìn)行調(diào)制，AD652和VFC110都可以通過(guò)改變外部Cos電容值來(lái)改變輸出脈沖的脈寬[7]。但是在調(diào)制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈寬到達(dá)一定值時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)Cos改變脈寬就變得很困難。例如AD652，在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，脈寬輸出當(dāng)Cos到達(dá)6pF時(shí)，脈寬變化近似為0。

表1、2記錄了調(diào)試電路時(shí)，兩種芯片在不同的Cos時(shí)脈寬輸出情況。

表1 AD652脈寬輸出調(diào)試記錄

表2 VFC110脈寬輸出調(diào)試記錄

通過(guò)調(diào)試電路和計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，這些V/F芯片的脈寬輸出實(shí)際符合y=ax+b的輸出形式。其中：a是由V/F芯片內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的電阻R和外部電容Cos決定的；b則是Cos空置時(shí)單穩(wěn)態(tài)電路的固有輸出脈寬，即這兩種芯片都是當(dāng)Cos空置時(shí)芯片會(huì)有一個(gè)固定的脈寬輸出，當(dāng)有外接Cos時(shí)會(huì)有一個(gè)隨著Cos線性改變的脈寬輸出。我們只能通過(guò)在外部增加電容來(lái)達(dá)到改變脈寬的目的，但是芯片內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路的固有脈寬卻是改變不了的。

此次設(shè)計(jì)V/F電路就是為了能產(chǎn)生數(shù)字相關(guān)器能識(shí)別的、可以實(shí)現(xiàn)0～10 V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～2 MHz的脈沖信號(hào)，并且使得輸出信號(hào)脈寬為30 ns的目的。這樣，這些V/F芯片的最小輸出脈寬就不能滿足我們研發(fā)產(chǎn)品的需求。

3 V/F電路脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)

分析V/F內(nèi)部電路得知，當(dāng)V/F內(nèi)部通過(guò)比較器的信號(hào)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路時(shí)，輸出信號(hào)的脈寬會(huì)發(fā)生改變。由此可以猜想，當(dāng)在V/F芯片外部增加一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路即可以獲得理想的脈寬輸出。

單穩(wěn)態(tài)電路是數(shù)字電路中的一個(gè)比較重要的應(yīng)用電路[8]。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路具有如下工作特性：① 它的穩(wěn)態(tài)和暫穩(wěn)態(tài)2個(gè)不同的顯著狀態(tài)；② 在外界觸發(fā)脈沖的作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間后，再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)；③ 暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路本身的參數(shù)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無(wú)關(guān)(見(jiàn)圖5)。

由于具備了以上的3個(gè)特點(diǎn)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路廣泛應(yīng)用于脈沖整形、延時(shí)(產(chǎn)生滯后于觸發(fā)脈沖的輸出脈沖)及定時(shí)(產(chǎn)生固定時(shí)間寬度的脈沖信號(hào)等)。

根據(jù)RC電路的不同接法，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路可以分為微分型和積分型。

通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)電路發(fā)現(xiàn)，微分型的單穩(wěn)態(tài)電路輸出脈沖的下降沿較差。與微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路相比，積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路具有抗干擾能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。積分型單穩(wěn)態(tài)電路正常工作條件：觸發(fā)脈沖的寬度大于輸出脈沖的寬度。符合我們所需要的條件。

通過(guò)分析電路得知，積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的脈寬時(shí)間：

(1)

輸出脈沖的幅度為

Um=UOH-UOL

(2)

圖6是利用與非門和反相器以及RC積分電路組成的積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。由于V/F電路的輸出脈沖是負(fù)脈寬固定的脈沖信號(hào)，為了保證電路的正脈沖觸發(fā)，我們?cè)谟|發(fā)電路的輸入端增加一個(gè)反相電路，并且在觸發(fā)電路的輸出端增加反相器以保證脈沖的正向輸出。由單穩(wěn)態(tài)脈寬的計(jì)算公式可以得出：只要改變電阻R和電容C的值就可以獲得相應(yīng)的脈寬輸出。

需要特別注意的是，若是采用與非門電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路時(shí)，電阻R要小于0.7 kΩ。

圖7中的電路是VFC的整體電路圖，在結(jié)合了數(shù)字相關(guān)器的實(shí)際要求之后，在電路中增加了分壓和電流放大模塊。輸出的脈寬信號(hào)通過(guò)分壓電路能夠輸出符合DSP的I/O能識(shí)別的電壓信號(hào)；由于經(jīng)過(guò)反相器CD4069輸出的信號(hào)電流太小只有零點(diǎn)幾毫安，因此必須增加整個(gè)電路的驅(qū)動(dòng)能力，使得后續(xù)的數(shù)字相關(guān)器可以正常工作。所以三極管構(gòu)成的電流放大電路[9]使得整個(gè)電路具備了較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。

最后，關(guān)于電路中的器件選型需要注意的是，盡量選擇聚丙烯或者聚苯乙烯材料的電容和溫漂只有幾個(gè)10-6的精密電阻。電路建議選擇CMOS反相器和與非門。圖8的波形是信號(hào)經(jīng)過(guò)TTL器件構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路產(chǎn)生的波形，對(duì)比圖9的波形可以看出，CMOS器件的輸出波形具有良好的邊沿特性。

圖8 信號(hào)經(jīng)TTL反相器輸出的波形

圖9的波形是由VFC110產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路調(diào)制后的輸出信號(hào)。經(jīng)過(guò)調(diào)整電路的RC參數(shù)，脈寬輸出可以維持在30 ns左右，能夠滿足數(shù)字相關(guān)器技術(shù)指標(biāo)的要求。

圖9 不同RC值的輸出脈沖波形

圖10顯示的結(jié)果就是本次設(shè)計(jì)的脈寬調(diào)制電路與數(shù)字相關(guān)儀聯(lián)調(diào)時(shí)的上位機(jī)界面。

圖10 實(shí)現(xiàn)電路與數(shù)字相關(guān)儀的聯(lián)調(diào)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析V/F轉(zhuǎn)換芯片和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路原理，設(shè)計(jì)了一種能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制的電路并且經(jīng)過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，電路的輸出信號(hào)最終能夠被數(shù)字相關(guān)器所識(shí)別，并且輸出信號(hào)穩(wěn)定，非線性失真小，實(shí)現(xiàn)了本文初始設(shè)計(jì)電路的目的。

[1] Turbo Corr-Digital Autocorrelator. Brookhaven Instrument [Z].

[2] 周 璐．電荷平衡式電壓-頻率轉(zhuǎn)換器的原理及誤差分析[J]．測(cè)控技術(shù)，2009,28(5)：87-93．

ZHOU Lu. Analysis on Principle and Error of Charge-Balancing Voltage-Frequency Converter[J].Measurement & Control Technology，2009,28(5)：87-93．

[3] 武義泉，楊書(shū)生，鐘宜生. 同步和異步電荷平衡式電壓頻率變換器誤差分析[J]. 測(cè)控技術(shù)，2008, 27(5)：37-40.

WU Yi-quan，YANG Shu-sheng，ZHONG Yi-sheng. Error Analyses of a Synchronous and Synchronous Voltage to Frequency Converters[J]. Measurement & Control Technology, 2009,28(5)：87-93.

[4] Analog Devices AD652 Datasheet[Z]．Analog Devices Co，2004．

[5] Burr-Brown VFC110 Datasheet[Z]．Burr-Brown Co, 1993.

[6] 紀(jì)宗南. 高精度同步V/F轉(zhuǎn)換器AD652的原理及其應(yīng)用[J].電子科技雜志，1992(1):17-22.

JI Zong-nan. Principle and Application of High-accuracy Synchronous V/F Convert AD652[J].Electronic Science & Technology, 1992(1)：17-22.

[7] 韓小燕, 韓有根. AD652同步V/F轉(zhuǎn)換器的原理與使用[J].電子技術(shù)，1993(10):30-33.

HAN Xiao-yan, HAN You-gen. Principle and Application of Synchronous V/F Convert AD652[J].Electronics Technology, 1993(10):30-33.

[8] 郭 濱，高鳳洋. 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器概述與仿真驗(yàn)證[J]. 微處理機(jī), 2013,34(1)：11-13.

GUO Bin, GAO Fengyang. Summary and Simulation Test of Monostable Trigger[J].Microprocessors, 2013,34(1)：11-13.

[9] 閻 石.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，1998:118-121.

[10] 習(xí)友寶，古 軍，詹惠琴.基于VFC實(shí)現(xiàn)脈寬制式A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究[J].電測(cè)與儀表，2005,42：37-39.

XI You-bao，GU Jun，ZHAN Hui-qin. Research on the Implementation of VFC-based PWM Mode A/D Converter[J].Electrical measurement & Instrumentation, 2005,42：37-39.

[11] 吳 猛.F/V及V/F轉(zhuǎn)換電路的原理與應(yīng)用[J].集成電路通訊，2003,21(3)：5-9.

WU Meng. Principle and Application of F/V and V/F[J]. Integrated Circuit Communication，2003,21(3)：5-9.

[12] 高光天,薛天宇. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社,2001: 222-223.

[13] 陳 煒. 基于單片機(jī)高精度寬范圍頻率測(cè)量研究[ J ]. 武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 19(4): 27-29.

CHEN Wei. Research on High-accuracy and Wide Range Frequency Measurement based on Chip Microcomputer[J].Journal of Wuhan University of Science and Engineering, 2006, 19(4): 27-29.

[14] 高昌謀. 基于I/F變換的微弱電流信號(hào)高精度檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D]. 北京：清華大學(xué), 2006.

[15] 羅 毅，李 鶯，姚 毅，等. 基于AD652的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2011，24(3)：21-22.

LUO Yi, LI Yin, YAO Yi. High-Accuracy Data Acquisition System based on AD652[J].Journal of Sichuang University Science & Engineering，2011，24(3)：21-22.