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在要求嚴(yán)格單調(diào)響應(yīng)、高分辨率、較低噪聲和適中速度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)師們都喜歡使用VFC(電壓-頻率轉(zhuǎn)換器)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。VFC可以產(chǎn)生一個(gè)頻率與輸入電壓成正比的脈沖列。然后，微控制器或邏輯會(huì)將一個(gè)固定時(shí)間段設(shè)為門并計(jì)算該段時(shí)間內(nèi)通過門的脈沖數(shù)，從而將頻率轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字。 這種方法的主要缺點(diǎn)是，為了提高速度，設(shè)計(jì)師們必須在高頻率狀態(tài)下運(yùn)行VFC，造成線性度性能下降。 在本設(shè)計(jì)實(shí)例中，電路將輸入電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)均衡的時(shí)間間隔，然后，微控制器會(huì)利用這一時(shí)間間隔計(jì)算來自其內(nèi)部時(shí)鐘的脈沖，而結(jié)果著實(shí)令人贊嘆： ● 由于電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換器在低頻狀態(tài)下運(yùn)行，帶來了良好的線性度； ● 較高的時(shí)鐘頻率使得A/D轉(zhuǎn)換速度較快； ● 程序或邏輯變得更簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼉H需計(jì)算時(shí)鐘脈沖，具有門控電路； ● 價(jià)格低廉。 重點(diǎn)在于增加計(jì)數(shù)頻率不會(huì)影響A/D轉(zhuǎn)換的線性度，而增加VFC的頻率往往意味著線性度會(huì)變得更糟。 在圖1給出的電路中使用的是改良VFC架構(gòu)(參考文獻(xiàn)1)，其中的輸入電壓VIN和參考電壓VREF的角色得到了互換。R1-R2網(wǎng)絡(luò)可切換輸入電壓，因此網(wǎng)絡(luò)中總是有高于參考電壓的正電壓，并維持了適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件。該電路使用了4066部件的所有開關(guān)：兩個(gè)并聯(lián)的開關(guān)構(gòu)建S1可降低不完善的開關(guān)平整度對(duì)線性度的影響，S2處有一個(gè)開關(guān)，最后一個(gè)開關(guān)位于啟動(dòng)電路中，與CINT并聯(lián)，在初始化過程中由邏輯控制，如參考文獻(xiàn)1中所示。 圖1：使用改良VFC架構(gòu)的電路，其中的輸入電壓適用于參考電壓終端，反之亦然。 電路上電后，啟動(dòng)電路會(huì)使CINT短路一段時(shí)間，而單穩(wěn)態(tài)(one-shot)電路會(huì)通過內(nèi)部電路進(jìn)行復(fù)位。然后，開關(guān)S1開啟、S2關(guān)閉。RINT左側(cè)連接至地面，右側(cè)得到0.2V的電位。啟動(dòng)時(shí)間結(jié)束后，與CINT并聯(lián)的開關(guān)開啟，電容器開始充電。此時(shí)，積分電路電壓呈上升趨勢(shì)；當(dāng)上升至2.5V左右的閾值時(shí)就會(huì)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路。開關(guān)S1關(guān)閉、S2開啟。RINT的右側(cè)獲得依賴于輸入電壓的正電位，但其值始終大于0.2V。通過RINT的電流方向發(fā)生回轉(zhuǎn)，CINT開始放電。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)時(shí)間結(jié)束后，此循環(huán)會(huì)繼續(xù)重復(fù)。 當(dāng)輸入電壓從0V升至5V時(shí)，輸出周期也會(huì)從78μs升至578μs。集成電容器CINT和單穩(wěn)態(tài)電路施密特輸入的閾值水平不會(huì)參與此時(shí)間段與電壓的相對(duì)關(guān)系。在此期間，10MHz的時(shí)鐘脈沖可生成780~5780的數(shù)字—每毫伏一個(gè)計(jì)數(shù)。線性度為一個(gè)計(jì)數(shù)或±0.02％，由于最大頻率僅為12.8kHz，此點(diǎn)也就不足為奇。A/D轉(zhuǎn)換最多需要578μs，是1MHz VFC的8.65倍(1MHz VFC計(jì)數(shù)1μs的5000個(gè)脈沖需要5000μs的時(shí)間)。其接口程序簡(jiǎn)短、簡(jiǎn)單，與參考文獻(xiàn)2所述類似。 由于輸入電壓的移位，校準(zhǔn)需要做一些重復(fù)工作：使用單穩(wěn)態(tài)電路的電位器將靈敏度調(diào)至100μs/V。單穩(wěn)態(tài)電路脈沖的標(biāo)稱持續(xù)時(shí)間為26μs。取消控制器中的780個(gè)計(jì)數(shù)抵消。 從表1可看出，電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換方法要明顯優(yōu)于V-F轉(zhuǎn)換方法(參考文獻(xiàn)3、4)。但目前還沒有芯片制造商提供此種類型的轉(zhuǎn)換器。 參考文獻(xiàn) 1. Dimitrov J., Inexpensive VFC features good linearity and dynamic range. EDN, Design Ideas, Dec 1, 2011, pp.47-48. 2. Dimitrov J., Linearize optical distance sensors with a voltage-to-frequency converter. EDN, Design Ideas, Apr 19, 2012, pp.47-48. 3. AD650 voltage-to-frequency and frequency-to-voltage converter. 4. VFC320 voltage-to-frequency and frequency-to-voltage converter. |
