信号处理压频转换器介绍

1、压频转换器介绍问：应该怎样远距离传输模拟信号而又不损失精度?答：对这个常见问题的最好解决方法是使用压频转换器(VFC)以频率形式传输模 拟信号。VFC是一种输出频率与输入信号成正比的电路。通过光电器、光纤链路、双绞 线或同轴电缆和无线电链路在远距离传输线2.1 所示。传输频率信号使其不受干扰这是相当容易 的，如图如果要求传输的信息一定是数字量，那么只要把做成为一个频率计数器，利用单片机很容易实现。通过频压转换器(FVC)可以把频率转换成模拟电压，一般 VFC 经过适当接线 都具有反转换，即 FVC 的功能，常用于锁相环。问：VFC 如何工作?答：VFC 有两种常用类型：多谐振荡器式(如 AD5

2、37)和电荷平衡式(如 AD650)，见图 2.2。多谐振荡器式 VFC电荷平衡式 VFC多谐振荡器式 VFC 把输入电压转换成电流，电流要对电容器进行充电，然后通过比较器 和触发电路对电容器放电。用稳定的基准设置切换阈值电压，具有(mark space ratio，简称 MS)的输出频率与输 入信号成正比。传号空号比电荷平衡式 VFC 由一个积分器、比较器和精密电荷源组成。将输入信号加到积分器充电 。当积分器输出电压达到比较器的阈值电压时，电荷源被触发并且有固定的电荷从该积分器 中被迁移。电荷放电的速率一定与被施加的电压相一致，因此电荷源被触发的频率与积分器 的输入电压成正比，见图 2.3。

3、问：这两种类型的 VFC 的优缺点如何?答：多谐振荡器式 VFC 简单、便宜、功耗低而且具有MS 输出(与某些传输介质 连接非常方便)。其缺点是精度低于电荷平衡式 VFC，而且不能对负输入信号积分。电荷平衡式 VFC 比较精确，而且负输入信号也能对输出有贡献。它的缺点是对电源要求较 高，(输入端通常都是运放的反相输入端)具有低的输入阻抗，其输出波形为脉冲串而不是MS。问：在 VFC 中最重要的误差有哪些?答：在大多数精密 VFC 中有三种误差：失调误差、增益误差和线性误差，而且它们 都随温度变化。对于大多数的精密电路其失调误差和增益误差都可由用户调整，但是线性 误差则不能调整。然而(如果外接电

4、容选择适当，待后面介绍)，VFC 的线性误差在一般情况 下都是相当好的。问：如何调整 VFC 的增益和失调?答：从原理上来讲，首先应该在零频率调整失调，然后在满度(FS) 调整增益。但是实际上，在确认“零频率”时会出现问题，因为 VFC 在此状态时根本不振荡 。因此用一个 小的输入信号(如 0FS)来调整失调，从而调到一个标称频率，接着在满度调整增益， 然后重复上述步骤调整一、二次。例如，假设所用的 VFC 在 10 V 输入时，FS 输出为 100 kHz。理想情况下，10 V 输入应该给 出 100 k Hz 输出，而 10 mV 输入应该给出 100 Hz 输出。所以失调应加 10 mV

5、 输入调整到100 Hz 输出。然 后在10 V 输入条件下调整到100 kHz 输出。但是由于增益误差对10 mV失调调整稍有影响，因 此，为了减小剩余误差必须重复上述调整过程。如果使用 VFC 时带有校准，通常引入一个精密的失调电压，以便确定 VFC 在“零输入 ”时对应的频率。用微机测量在 0 V 和 FS 输入时的 VFC 输出，计算失调电压和增益比例因子。 必要时也可减少增益以便使 VFC 不超过其最大额定频率，见图 2.4。问：当使用 VFC 时，需要什么样的电路保护措施?答：除了精密模拟电路常用的保护措施(接地、去耦、电流路径选择、噪声使用 VFC 主要的防护措施是选择电容器以及

6、对输入和输出电路进行分离。等 )以外，精密 VFC 所用的关键电容器(多谐振荡器式 VFC 用的定时电容器和电荷平衡式 VFC 用的单 稳定时电容器)都必须随温度变化保持稳定。另外，如果电容器有介质吸收，那么 VFC会产生 线性误差并且使建立时间变坏。如果电容器被充电、放电，然后开路，此时电容器可能恢复一些电荷，这种效应称作介 质吸收(DA)。使用这种电容器，会降低 VFC 或采样保持放大器(SHA)的精度。因此 VF C 和SHA都应该使用聚四氟乙烯或聚丙烯电容器或者使用低 DA 的零温度系数陶瓷电容器。VFC 的输入与输出之间的耦合也会影响其线性误差。为了防止出现问题，还应遵守去耦规 则和

7、常用的布线防护措施。在使用光电耦合时应特别30 mA)。，因为它需要大电流驱动(10问：如何频压转换器(FVC)?答：有两种常用方法：法是输入频率触发电荷平衡式 VFC 的单稳电路，用 一只电阻器与其积分电容器相并联；第二种方法是，将输入频率加到锁相环(PLL)的相频比 较器 上。使用任何一种类型的 VFC 都可作为PLL 的振荡器。第法的基本原理图如图 2.5 所示 。在每个输入频率周期，电荷Q 传送到 R 与C的漏泄积分器。当达到平衡时，在每个 周期内都有等量的电荷必须泄漏掉。对于输入频率 f，对应的周期 T(=1/f)，电荷以 I=V/R平 均速率泄漏，因此 V=QfR。虽然这个平均电压

8、与电容 C 无关，但输出脉动却与 C 成反比脉动电压V式V=Q/C 决定。这表明脉动电压与频率无关(假设与输入周期有关的短时间内传送电荷 Q) 。这种类型的 FVC 的建立时间由指数时间常数 RC 决定，根据 RC 可以计算出规定误差范 围内的建立时间。从上述公式可以看出，这种类型的 FVC 具有相互依赖的关系，所以不可能使其脉动电压和建 立时间都能独立地达到最佳。为了解决这个问题，2.6。须使用锁相环(PLL)，见图图 2.6 所示的 PLL 式 FVC 仅有一点不同于其它的 PLL：常规 PLL 的压控振荡器(VCO)都是单片 结构，但不要求线性度，所以这里用带有线性控制的 VFC 来取代

9、 VCO。在伺服系统中，负反馈 保 持 VFC 的输出频率等于其输入频率。FVC 的输出电压，即 VFC 的输入电压，与其输入频率成精 确的比例关系。有关 PLL 系统的设计已超出本章的范围，但如果使用 4000 系列 CMOS PLL，4046，仅 作为一个相位检测器(因为 4046 中的 VCO 传递函数的线性度不太理想)，可用 AD654 VFC作为 VCO 按图 2.7 所示接成 FVC。问：同步 VFC?答：同步 VFC 是指线性度和稳定性都经过改进的一种电荷平衡式 VFC。由外部时钟 驱动的双稳电路取代了原来的单稳电路。精密电流向积分器放电所用的固定时间等于外部时 钟的一个时钟周期

10、。SVFC 的其它优点是，当积分器输入电压达到比较器的阈值电压时(不是关键速率)并不开 始放电，而是在下一个时钟周期开始放电。SVFC 输出与时钟同步，所以它很容易与计数器、 微处理器 等数字器件连接。SVFC 用于多通道系统是非常有用的，它可以消除多个非同步频率之间的相 互干扰问题。SVFC 有两个缺点。因为输出脉冲与时钟同步，所以脉冲间隔不等并且抖动很大。这对于 把 SVFC 用作模数转换器的用户没有影响，但对于用作精密振荡器的用户却有影响。另外，时钟对比较器的电容耦合，当 SVFC 在 2/3 或 1/2 FS 处会产生注入锁相效应(injection lock effects)，在其输出频率的响应 范围内产生一个很小的(1 MHz 时钟，18 位分辨率会有 46 位)死区。布线或结构设计不合理 会使这种效应变坏。尽管存在上述问题，由于取代定时单稳电路改进了 SVFC 性能，使