高精度电压频率和频率电压转换器ADVFC32的性能及应用

电压频率和频率电压转换器ADVFC32及应用
一、概述
ADVFC32是ADI公司生产的一种低成本的单片集成的实现电压频率转换或频率电压转换的器件。

它具有很好的线性（10KHz时的最大误差时0.01%），最大的工作频率可以达到0.5MHz。

只需要外接很少的器件就可以把输入的正、负电压或电流转换为与之成比例的频率。

频率电压转换的模式所用的器件与电压频率转换的相同，只是要有一个简单的逻辑偏压或网络组合来保证输入逻辑电平有较大的范围。

在V/F模式下用一个开放的输出频率收集器可以实现TTL和CMOS兼容。

上拉电阻可以接到30V、15V的电压，或者5V标准CMOS和TTL逻辑电平。

应选取这个电阻值限制输出集电极的电流不超过8毫安。

低输入电压失调漂移，仅有满度的3ppm/℃。

ADVFC32具有以下的一些优点：
1、ADVFC32采用的是电荷平衡电路技术，这使得它的电压频率转换具有很高的精度。

它的工作频率的范围仅仅由一个精密电阻和电容决定，其它的元件对频率范围影响不大。

所以可以采用比较便宜的，精度±20%的电阻和电容，这样并不会影响线性和温度漂移。

2、ADVFC32可以很容易满足系统工作范围要求。

选择不同的输入电阻可以实现不同的输入电压缩放比。

输入电阻还可以在最大的输入电压时使输入电流达到0.25mA。

3、频率电压转换的模式所用的器件与电压频率转换的相同，只是要有一个简单的逻辑偏置、网络相加和重新组合即可。

4、ADVFC32和其它公司生产的VFC32具有引脚的兼容性。

5、ADVFC32与军用标准MIL_STD_883兼容。

二、封装结构
ADVFC32有两种封装方式：一种是14管脚的双列直插式，另一种是10管脚的金属罐式。

图1（A）给出的是ADVFC32的14脚封装结构及引脚排布，图1（B）给出的是ADVFC32的10脚封装结构及引脚排布。

（A）：14引脚封装结构
（B ）：10引脚封装结构
图1：ADVFC32的两种封装结构
三、工作原理及应用设计
ADVFC32应用广泛，除了用于电压频率转换和频率电压转换，还可以用于微处理器控制的A/D 转换及其他的电路。

下面介绍一些它的应用电路设计。

1、 单极输入的电压频率转换
（1） 输入为正电压
当作为电压频率转换器使用时，电压到频率的转换是基于输入信号和内部1mA 的电 流源比较实现的。

当输入的电压为正时，连接的电路图为图2。

在一个周期开始时，和输入电压成比例的电流通过3R 和1R 对电容2C 充电。

随着电容上电荷的积累，输入放大器的输出电压降低。

当输入放大器的输出电压达到零时，比较器反转一次，时间由电容1C 决定。

反转时间的精确值为：。

在这个过程中有1mA -IN I 的
电流流过电容2C ，在一个周期内电容上损耗的电荷为(1mA -IN I )⨯os
t 。

在一个周期的其余时间电容2C 上继续充电，积分器的电压达到原来的值。

因为每个周期内2C 的充电量和放电量相等。

(1)IN os mA I t -⨯os t =1
()IN os OUT I t F ⨯-，整理得OUT F =IN os
I 1mA t ⨯ 用IN IN V R 取代其中的IN I ，并把os t 用1C 表示得到ADVFC32的输出频率公式为：
OUT F =11(44) 6.7IN
IN V R mA C pF K ⨯+⨯Ω 用下面的公式计算元件的参数使输入电压和输出频率的范围优化。

2C =4
10sec OUTFS
Farads F -（最小1000pF ）；IN R =0.25INFS V mA ；
2R ≥8LOGIC V mA + 表1中给出了建议使用的IN R 、2C 和1C 的值。

输入电阻IN R 由固定电阻3R 和可变电阻1
R 组成，可以进行对内部增益的失调进行补偿。

为了满足所有的可能情况，3R 应该为输入电阻的20%，1R 应为输入电阻的90%。

这就允许有±10%的增益调节来补偿ADVFC32的全范围误差和1C 的误差。

如果需要更精确的内部偏置，则可以加入4R 和5R 组成的电路。

5R 的阻值可以在10K Ω和100K Ω之间，4R 应大约为10M Ω。

纠正零漂所需的电流相对很小，因此这两个电阻的温度系数不做要求。

如果加上这个电路后会产生大的偏移，则两个电阻的温漂就都非常重要了。

图2：正电压输入的电压频率转换电路
表1：建议使用的IN R 、2C 和1C 的值
（2） 输入为负电压
图3给出的是输入电压为负的V/F 转换的连接电路。

在这种结构中，最大的输出频 率对应最大的输入负电压，输出频率为零时对应输入电压也为零。

因为它只驱动积分器的输入，所以输入的信号源可以有很高的阻抗。

末端的典型输入阻抗值为250M Ω或更高。

对于正电压的V/F 转换来说，信号发生器必须可以提供0.25 mA 来驱动ADVFC32，但对于负电压V/F 转换0.25 mA 的电流是从地经3R 和1R 得到的。

负电压的电路工作原理和正电压的非常相似，上面已经给出了元件选择的公式，这里就不做进一步介绍了。

图3：输入为负电压的V/F 转换
2、双极输入V/F 转换
在脚1（对于10脚的是脚2）接一个稳定的正电压，ADVFC32就可以工作在双极电压输入状态。

例如，把80K Ω的电阻接到10V 的电压上得到一个外加0.125mA 的电流进入放大器。

这样一来即使在负电压输入时流入积分器的电流也是正的。

在最大的负电压输入时有0.125mA 的电流从IN V 流入积分器，从偏置电阻流出，输出的频率为零；当输入为最大的正电压时，两个电流的总和为0.25mA ，输出为最大频率。

3、 频率电压转换
图4给出了在输入幅值为TTL 逻辑电平上的F/V 转换连接图。

图中的电阻3R 主要 起增益调节的作用，使输出电压的幅值达到设计要求。

每次输入信号超过比较器极限时，产生一个单稳触发脉冲，开关闭合一次，1mA 的电流源接到比较器的输入端，持续时间由C1决定。

当频率增加时，积分电容上积累的电荷随之成比例增加。

当电容上的电荷达到稳定，经过3R 和1R 的漏电流和开关接入积分器的平均电流相等。

这两种作用的代数和为输出电压的均值，这个值是和输入频率成比例的。

如上面V/F 转换一样，选取合适的元件值可以使转换达最优。

图4：频率电压转换电路
4、高噪声抑制、高共模抑制比电路的设计
在许多应用中，信号可能在一个距离接受器很远的地方，在传到接受地点进行处理的过程中会携带很大的噪声。

在现代医学中，远程医疗越来越为人们重视和看好，但在这种情况下，即使使用屏蔽电缆也不能把信号和噪声完全隔离。

图5给出了这种高噪声、高共模抑制比电路在心电信号传输中的应用。

用两个ADVFC32将模拟电压信号转换成与之成比例的数字信号，然后经过光电隔离后，再利用ADVFC32的频率/电压转换功能把数字信号转换为成比例的模拟信号。

这种连接方法可以很好的去除噪声和共模干扰。

采集到并经过放大处理的心电信号输入第一个ADVFC32，它把输入模拟心电信号调制为成比例的频率信号，一个输入电阻42.2KΩ和一个偏置电阻100KΩ确定转换比例。

这样0V的电压转换为50KHz，10V的输入对应最大的输出频率500KHz。

一个高频的光电隔离器把除去共模干扰后的信号送到第二个ADVFC32，这个ADVFC32负责把数字信号解调成成比例的模拟信号。

对于心电信号的传输我们采用光纤代替HCPL2630作为光电隔离器件，这样可以消除高达几十兆伏特的共模干扰，并可完全滤除电噪声。

光电隔离器的输出和第二个ADVFC32连接起来。

由于在10脚的重建信号中会有相当数量载波。

所以对于50KHz和500KHz之间的任何频率要求滤除效果都很好。

F/V转换器的响应频率只有3KHz，因此一个二阶截止频率为3KHz的滤波器并不会对带宽有限制作用。

用图5的单极滤波电路，输入到输出的3分贝衰减点大约在2KHz，输出的噪声小于15mV。

如果需要有较低的输出阻抗，则推荐使用双极的滤波器。

图5：高噪声、高共模抑制比电路
四、小结
ADVFC32具有高线性度可以实现V/F和F/V两种转换过程，而且它工作在V/F转换时输入可以为负电压，并且成本很低，外围电路连接非常简单，实现起来比较容易。

所以它可以广泛的应用于工业和商业的多个领域。