郭 濤 劉啟明 古依聰 劉葉琦 石 帥

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)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(lèi)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(guò)程主要分為三步。第一步：電壓的轉(zhuǎn)換，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；第二步：對(duì)于電容進(jìn)行充放電，以著電流信號(hào)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(guò)程分為四步走。第一步：通過(guò)輸入信號(hào)對(duì)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(duì)；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(hào)與觸發(fā)頻率之間的對(duì)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(hào)的轉(zhuǎn)變，通過(guò)對(duì)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(guò)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(jiǎn)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(duì)于負(fù)輸入信號(hào)，瞬態(tài)是無(wú)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(duì)于負(fù)輸入信號(hào)進(jìn)行處理。一般采用特定的頻率對(duì)電壓集成芯片或者分離元件進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)電壓信號(hào)的變換［7］。

綜上所述，相對(duì)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(hào)處理能力。相對(duì)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(duì)于之前的兩種方法而言，工程量相對(duì)較大，在工業(yè)實(shí)際需求方面上，較難滿足［8］，但是對(duì)于電荷平衡式而言，也存在著不足，例如芯片對(duì)于溫度影響較大，可能存在溫漂的現(xiàn)象，針對(duì)于這類(lèi)問(wèn)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(wèn)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(hào)產(chǎn)生電路、F/V電路、信號(hào)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(hào)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(duì)整體電路進(jìn)行供電支持，針對(duì)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(hào)地與電源地給分離開(kāi)來(lái)，減少信號(hào)端干擾；信號(hào)產(chǎn)生電路的作用是把信號(hào)調(diào)理為ttl信號(hào)，用于后期信號(hào)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(hào)調(diào)理電路包括濾波和放大兩部分，濾波部分對(duì)無(wú)用的信號(hào)進(jìn)行濾除，去除電路中所存在的紋波信號(hào)，提高信噪比，保證信號(hào)穩(wěn)定輸出；放大部分對(duì)電壓進(jìn)行放大，以滿足頻率與電壓之間地對(duì)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(hào)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(hào)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(duì)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(duì)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(chēng)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(kāi)關(guān)之間需要良好的電氣隔離，因此需要把信號(hào)輸入端與后續(xù)處理電路隔離開(kāi)來(lái)，減少輸入信號(hào)對(duì)后端電路的影響。綜合考證了許多器件的特性、工作原理、對(duì)應(yīng)關(guān)系等，最終選取6N137隔離芯片，其內(nèi)部探測(cè)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(kāi)放集電極肖特基鉗位三極管。當(dāng)有電流通過(guò)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(mén)，進(jìn)而控制三極管是否打開(kāi)，輸出是高電平還是低電平，實(shí)現(xiàn)是信號(hào)隔離問(wèn)題。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 隔離電路

當(dāng)輸入信號(hào)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(hào)的輸入、輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 信號(hào)輸入與輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3 信號(hào)產(chǎn)生電路

選用可調(diào)幅度、頻率的方波信號(hào)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(hào)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(lái)維持這一段時(shí)間?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整電源值、電容值調(diào)整輸出脈沖信號(hào)的幅度和相應(yīng)的頻率［10］。脈沖信號(hào)電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)

所對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 信號(hào)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(wèn)題。并且動(dòng)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(duì)于F/V轉(zhuǎn)換電路，其輸入信號(hào)（信號(hào)發(fā)生器輸出端）將通過(guò)微分器（C5和R12組成）進(jìn)入比較器的反向輸入端，針對(duì)于比較器的同相輸入端，電源將通過(guò)電阻（R13、R14）分壓獲取，RS（R16、R3006P）一來(lái)調(diào)整輸出電壓和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，二來(lái)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(hào)，將信號(hào)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(lái)的輸出走向朝上進(jìn)行。通過(guò)電流開(kāi)關(guān)，電流開(kāi)關(guān)連接到引腳1，鏡像電流源對(duì)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(guò)電阻RT（R15）對(duì)電容CT（C7）充電。針對(duì)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(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，接下來(lái)與引腳1相連接，對(duì)外部電路進(jìn)行放電（CL通過(guò)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(hào)下降沿到達(dá)時(shí)，重復(fù)一遍上述過(guò)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(hào)的頻率。

2.5 信號(hào)調(diào)理電路

為了消除F/V轉(zhuǎn)換電路中直流信號(hào)中存在的紋波信號(hào)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(hào)；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(hào)輸出，以保證輸出信號(hào)為純凈的直流信號(hào)，消除直流信號(hào)中存在的紋波信號(hào)，調(diào)理電路如圖8所示。

圖8 信號(hào)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(duì)應(yīng)關(guān)系，將進(jìn)一步對(duì)信號(hào)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)對(duì)于F/V整體電路的測(cè)試，信號(hào)幅值選定2.5Vpp，直流偏離1.25V，頻率點(diǎn)取值為從1kHz-4 kHz，測(cè)量相對(duì)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(duì)于F/V轉(zhuǎn)換電路做出相應(yīng)的測(cè)試調(diào)整，以來(lái)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(cè)2.5Vpp，頻率范圍為100Hz～800Hz的信號(hào)，測(cè)得相對(duì)應(yīng)的輸出電壓，表3為電壓、頻率的對(duì)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(yǔ)

本文針對(duì)信號(hào)傳輸性的問(wèn)題產(chǎn)開(kāi)，為了更好地將信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，使信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)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(cè)量、轉(zhuǎn)速計(jì)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量等，應(yīng)用范圍廣泛。