信號(hào)處理壓頻轉(zhuǎn)換器介紹

1、壓頻轉(zhuǎn)換器介紹問：應(yīng)該怎樣遠(yuǎn)距離傳輸模擬信號(hào)而又不損失精度?答：對(duì)這個(gè)常見問題的最好解決方法是使用壓頻轉(zhuǎn)換器(VFC)以頻率形式傳輸模 擬信號(hào)。VFC是一種輸出頻率與輸入信號(hào)成正比的電路。通過光電器、光纖鏈路、雙絞 線或同軸電纜和無線電鏈路在遠(yuǎn)距離傳輸線2.1 所示。傳輸頻率信號(hào)使其不受干擾這是相當(dāng)容易 的，如圖如果要求傳輸?shù)男畔⒁欢ㄊ菙?shù)字量，那么只要把做成為一個(gè)頻率計(jì)數(shù)器，利用單片機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)。通過頻壓轉(zhuǎn)換器(FVC)可以把頻率轉(zhuǎn)換成模擬電壓，一般 VFC 經(jīng)過適當(dāng)接線 都具有反轉(zhuǎn)換，即 FVC 的功能，常用于鎖相環(huán)。問：VFC 如何工作?答：VFC 有兩種常用類型：多諧振蕩器式(如 AD5

2、37)和電荷平衡式(如 AD650)，見圖 2.2。多諧振蕩器式 VFC電荷平衡式 VFC多諧振蕩器式 VFC 把輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流，電流要對(duì)電容器進(jìn)行充電，然后通過比較器 和觸發(fā)電路對(duì)電容器放電。用穩(wěn)定的基準(zhǔn)設(shè)置切換閾值電壓，具有(mark space ratio，簡(jiǎn)稱 MS)的輸出頻率與輸 入信號(hào)成正比。傳號(hào)空號(hào)比電荷平衡式 VFC 由一個(gè)積分器、比較器和精密電荷源組成。將輸入信號(hào)加到積分器充電 。當(dāng)積分器輸出電壓達(dá)到比較器的閾值電壓時(shí)，電荷源被觸發(fā)并且有固定的電荷從該積分器 中被遷移。電荷放電的速率一定與被施加的電壓相一致，因此電荷源被觸發(fā)的頻率與積分器 的輸入電壓成正比，見圖 2.3。

3、問：這兩種類型的 VFC 的優(yōu)缺點(diǎn)如何?答：多諧振蕩器式 VFC 簡(jiǎn)單、便宜、功耗低而且具有MS 輸出(與某些傳輸介質(zhì) 連接非常方便)。其缺點(diǎn)是精度低于電荷平衡式 VFC，而且不能對(duì)負(fù)輸入信號(hào)積分。電荷平衡式 VFC 比較精確，而且負(fù)輸入信號(hào)也能對(duì)輸出有貢獻(xiàn)。它的缺點(diǎn)是對(duì)電源要求較 高，(輸入端通常都是運(yùn)放的反相輸入端)具有低的輸入阻抗，其輸出波形為脈沖串而不是MS。問：在 VFC 中最重要的誤差有哪些?答：在大多數(shù)精密 VFC 中有三種誤差：失調(diào)誤差、增益誤差和線性誤差，而且它們 都隨溫度變化。對(duì)于大多數(shù)的精密電路其失調(diào)誤差和增益誤差都可由用戶調(diào)整，但是線性 誤差則不能調(diào)整。然而(如果外接電

4、容選擇適當(dāng)，待后面介紹)，VFC 的線性誤差在一般情況 下都是相當(dāng)好的。問：如何調(diào)整 VFC 的增益和失調(diào)?答：從原理上來講，首先應(yīng)該在零頻率調(diào)整失調(diào)，然后在滿度(FS) 調(diào)整增益。但是實(shí)際上，在確認(rèn)“零頻率”時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)?VFC 在此狀態(tài)時(shí)根本不振蕩 。因此用一個(gè) 小的輸入信號(hào)(如 0FS)來調(diào)整失調(diào)，從而調(diào)到一個(gè)標(biāo)稱頻率，接著在滿度調(diào)整增益， 然后重復(fù)上述步驟調(diào)整一、二次。例如，假設(shè)所用的 VFC 在 10 V 輸入時(shí)，F(xiàn)S 輸出為 100 kHz。理想情況下，10 V 輸入應(yīng)該給 出 100 k Hz 輸出，而 10 mV 輸入應(yīng)該給出 100 Hz 輸出。所以失調(diào)應(yīng)加 10 mV

5、 輸入調(diào)整到100 Hz 輸出。然 后在10 V 輸入條件下調(diào)整到100 kHz 輸出。但是由于增益誤差對(duì)10 mV失調(diào)調(diào)整稍有影響，因 此，為了減小剩余誤差必須重復(fù)上述調(diào)整過程。如果使用 VFC 時(shí)帶有校準(zhǔn)，通常引入一個(gè)精密的失調(diào)電壓，以便確定 VFC 在“零輸入 ”時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率。用微機(jī)測(cè)量在 0 V 和 FS 輸入時(shí)的 VFC 輸出，計(jì)算失調(diào)電壓和增益比例因子。 必要時(shí)也可減少增益以便使 VFC 不超過其最大額定頻率，見圖 2.4。問：當(dāng)使用 VFC 時(shí)，需要什么樣的電路保護(hù)措施?答：除了精密模擬電路常用的保護(hù)措施(接地、去耦、電流路徑選擇、噪聲使用 VFC 主要的防護(hù)措施是選擇電容器以及

6、對(duì)輸入和輸出電路進(jìn)行分離。等 )以外，精密 VFC 所用的關(guān)鍵電容器(多諧振蕩器式 VFC 用的定時(shí)電容器和電荷平衡式 VFC 用的單 穩(wěn)定時(shí)電容器)都必須隨溫度變化保持穩(wěn)定。另外，如果電容器有介質(zhì)吸收，那么 VFC會(huì)產(chǎn)生 線性誤差并且使建立時(shí)間變壞。如果電容器被充電、放電，然后開路，此時(shí)電容器可能恢復(fù)一些電荷，這種效應(yīng)稱作介 質(zhì)吸收(DA)。使用這種電容器，會(huì)降低 VFC 或采樣保持放大器(SHA)的精度。因此 VF C 和SHA都應(yīng)該使用聚四氟乙烯或聚丙烯電容器或者使用低 DA 的零溫度系數(shù)陶瓷電容器。VFC 的輸入與輸出之間的耦合也會(huì)影響其線性誤差。為了防止出現(xiàn)問題，還應(yīng)遵守去耦規(guī) 則和

7、常用的布線防護(hù)措施。在使用光電耦合時(shí)應(yīng)特別30 mA)。，因?yàn)樗枰箅娏黩?qū)動(dòng)(10問：如何頻壓轉(zhuǎn)換器(FVC)?答：有兩種常用方法：法是輸入頻率觸發(fā)電荷平衡式 VFC 的單穩(wěn)電路，用 一只電阻器與其積分電容器相并聯(lián)；第二種方法是，將輸入頻率加到鎖相環(huán)(PLL)的相頻比 較器 上。使用任何一種類型的 VFC 都可作為PLL 的振蕩器。第法的基本原理圖如圖 2.5 所示 。在每個(gè)輸入頻率周期，電荷Q 傳送到 R 與C的漏泄積分器。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，在每個(gè) 周期內(nèi)都有等量的電荷必須泄漏掉。對(duì)于輸入頻率 f，對(duì)應(yīng)的周期 T(=1/f)，電荷以 I=V/R平 均速率泄漏，因此 V=QfR。雖然這個(gè)平均電壓

8、與電容 C 無關(guān)，但輸出脈動(dòng)卻與 C 成反比脈動(dòng)電壓V式V=Q/C 決定。這表明脈動(dòng)電壓與頻率無關(guān)(假設(shè)與輸入周期有關(guān)的短時(shí)間內(nèi)傳送電荷 Q) 。這種類型的 FVC 的建立時(shí)間由指數(shù)時(shí)間常數(shù) RC 決定，根據(jù) RC 可以計(jì)算出規(guī)定誤差范 圍內(nèi)的建立時(shí)間。從上述公式可以看出，這種類型的 FVC 具有相互依賴的關(guān)系，所以不可能使其脈動(dòng)電壓和建 立時(shí)間都能獨(dú)立地達(dá)到最佳。為了解決這個(gè)問題，2.6。須使用鎖相環(huán)(PLL)，見圖圖 2.6 所示的 PLL 式 FVC 僅有一點(diǎn)不同于其它的 PLL：常規(guī) PLL 的壓控振蕩器(VCO)都是單片 結(jié)構(gòu)，但不要求線性度，所以這里用帶有線性控制的 VFC 來取代

9、 VCO。在伺服系統(tǒng)中，負(fù)反饋 保 持 VFC 的輸出頻率等于其輸入頻率。FVC 的輸出電壓，即 VFC 的輸入電壓，與其輸入頻率成精 確的比例關(guān)系。有關(guān) PLL 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已超出本章的范圍，但如果使用 4000 系列 CMOS PLL，4046，僅 作為一個(gè)相位檢測(cè)器(因?yàn)?4046 中的 VCO 傳遞函數(shù)的線性度不太理想)，可用 AD654 VFC作為 VCO 按圖 2.7 所示接成 FVC。問：同步 VFC?答：同步 VFC 是指線性度和穩(wěn)定性都經(jīng)過改進(jìn)的一種電荷平衡式 VFC。由外部時(shí)鐘 驅(qū)動(dòng)的雙穩(wěn)電路取代了原來的單穩(wěn)電路。精密電流向積分器放電所用的固定時(shí)間等于外部時(shí) 鐘的一個(gè)時(shí)鐘周期

10、。SVFC 的其它優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)積分器輸入電壓達(dá)到比較器的閾值電壓時(shí)(不是關(guān)鍵速率)并不開 始放電，而是在下一個(gè)時(shí)鐘周期開始放電。SVFC 輸出與時(shí)鐘同步，所以它很容易與計(jì)數(shù)器、 微處理器 等數(shù)字器件連接。SVFC 用于多通道系統(tǒng)是非常有用的，它可以消除多個(gè)非同步頻率之間的相 互干擾問題。SVFC 有兩個(gè)缺點(diǎn)。因?yàn)檩敵雒}沖與時(shí)鐘同步，所以脈沖間隔不等并且抖動(dòng)很大。這對(duì)于 把 SVFC 用作模數(shù)轉(zhuǎn)換器的用戶沒有影響，但對(duì)于用作精密振蕩器的用戶卻有影響。另外，時(shí)鐘對(duì)比較器的電容耦合，當(dāng) SVFC 在 2/3 或 1/2 FS 處會(huì)產(chǎn)生注入鎖相效應(yīng)(injection lock effects)，在其輸出頻率的響應(yīng) 范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)很小的(1 MHz 時(shí)鐘，18 位分辨率會(huì)有 46 位)死區(qū)。布線或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理 會(huì)使這種效應(yīng)變壞。盡管存在上述問題，由于取代定時(shí)單穩(wěn)電路改進(jìn)了 SVFC 性能，使