检测系统数字化测试技术 教学课件 作者 姚敏第八章 8.4 电压／频率转换式.ppt

8.4 电压／频率转换式A／D转换器 V／f 转换 电压／频率转换式（简称V／f 式）A／D转换技术也是一种间接A／D转换技术。它首先把被测模拟电压转换成振荡频率，即 V／f转换，然后再以测频方法将频率转换成二进制码或BCD码数字输出。 V/f 转换过程也是一个不断地进行积分的过程，所以，它也像双积分式A/D转换那样具有低通滤波抑制串模干扰的能力。 V／f 转换的优点 V／f 式A/D转换的一个突出优点是它可以输出与被测模拟信号成正比的频率信号（通常是方波脉冲），便于远距传送。它还可以调制在射频信号上，进行无线传播，实现遥测。调制成光脉冲，可用光纤传送数据，不受电磁干扰影响。 8.4.1 电荷平衡式V／f 转换工作原理 电荷平衡式V/f转换器 （Charge－Balancing V／f Converter） 电路组成：积分器 、恒流源、电压比较器 、单稳态定时器 波形图 工作原理 根据反充电电荷与充电电荷量相等的电荷平衡原理，可以得出 输出振荡频率 说明 输出频率f与输入模拟电压 Vi成正比。显然，要精确地实现 V/f 转换，要求 IR、R以及 t0必需准确而且稳定。一般选积分电阻R或者IR作为调整增益系数的环节，以满足V/f 的标称传递关系。 说明 V/f 转换电路是一种自由振荡器（free－running oscillator）。它不仅振荡频率随Vi的变化而变化，而且积分器输出锯齿波的幅值大小和形状也跟着变化。积分器输出电压幅值可用下式计算： 说明 当输入电压Vi≈0时，积分器输出电压是最大值： 可利用此式计算电容C的大小： 说明 当输入Vi≈IRR 时，输入频率最大： V/ f 转换器的输入范围 0≤Vi≤IRR 8.4.2 集成化V／f 转换器 ADVFC32:通用型单片集成V／f 转换器 （美Analog Devices公司产品）。 ADVFC32 该电路的元器件参数选择可根据手册给出。 ADVFC32之非线性误差δ:在满量程频率输出为10Hz时，δ≤±0.01%；在满量程频率输出为100 kHz时，δ≤±0.05%；在满量程频率输出为500kHz时，δ≤±0.2%。 为了保证V/f转换器的长期稳定性和温度稳定性，要求选用高质量的电容器和电阻器作为C1和R1。 LM131／231／331 另一种性能／价格比较高的集成V/f转换器是LM131／231／331（美National Semiconductor公司产品）。它的线性度指标也可以达到0.01%，有较高的温度稳定性，且可以在较低的单电源（可至＋5 V）供电下工作。 LM331工作原理 每当单稳态定时器触发产生一等宽度脉冲t0时，S导通，使电容CL充电。 t0结束后，S断开，CL对RL放电，直至等于Vi时，再次触发单稳态定时器。……如此反复循环，构成了自激振荡。内部电路从①脚流出的电流IR虽是恒定的，但CL充电电流却随着Vi的增加而减小。若以某一段时间内计算其充电电荷平均值 LM331工作原理 充电电荷平均值 ： 放电电荷平均值 充、放电电荷平衡 （相等） 实际上该电路的 Vx在很小的区域（大约 10 mV）内波动，它的平均值Vx≈Vi，故 式中之IR由内部基准电压源供给的1.90 V参考电压和外接电阻 RS决定，IR＝1.90 V／RS。IR取值范围 10～500μA。通常取 100～150μA。变更Rs值可调整转换增益。t0由单稳态定时器的外接电阻 Rt和电容 Ct决定，t0＝1.1RtCt，典型工作状态Rt＝6.8kΩ，Ct＝0.01μF，t0=7.5μs。 通常 LM331输入电压 0～10 V，对应输出频率1Hz～10 kHz，最高工作频率可调到 100 kHz。线性度 0.01％。 说明 上述两种V / f 转换器还可作f / V转换器使用 一般A/D转换器不能做D/A转换器 ADVFC32工作原理 在TTL电平的输入频率信号作用下，经电平比较器A2和单稳态触发器，变成了频率与输入频率fi相同、宽度t0一定（决定于定时电容C1）的脉冲信号。此信号控制开关S的通断。 ADVFC32工作原理 A1和外部电路组成了一个低通滤波器。在S1导通（单稳态触发产生的定宽t0脉冲）期间，lmA电流对C2充电。在S1断开期间，C2对R3-R1缓慢放电，相当于保持状态。显然，输出电压Vo的平均值与S1导通的频度相关，S1导通越密集，输出 Vo越大，且有线性关系。因此，输出电压平均值与输入频率fi成正比，实现了f／V的转换。 LM331 f／V转换器 外来的输入频率每次触发R－S触发器，都会造成电流开关S一次导通。导通时间也是定长的，决定于Rt和Ct。S导通时，从①脚输出恒定电流I