用于光電檢測的V/F脈寬調制電路設計

馬其琪， 趙 林， 郭 濤， 閆明明

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室； 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 山西 太原 030051)

0 引 言

隨著現代技術的發展，脈沖信號在通信領域具有越來越重要的作用。在高分子光電檢測領域[1]，將BI-200SM廣角激光散射儀在檢測高分子材料時所產生的電壓信號進行轉換，產生數字相關器能夠識別的脈沖信號，用以測算它們的納米顆粒分布情況和Zimm、Berry、Debye曲線、相對分子質量等系數。由此可見，脈沖信號的轉換精度是高分子材料檢測精度的重要影響因素之一。為了提高檢測精度，脈沖信號的調制是至關重要的。本文設計的VFC電路輸出的波形經過脈寬調制電路后，能夠應用于高分子材料檢測，具有結構簡單、轉換速度快和成本低等優點。

1 VFC脈寬調制電路原理

散射儀中光電倍增管接收的電壓信號經過VFC轉換電路形成脈沖串，然后再經過脈寬調制形成了幅值、頻率和脈寬都能被數字相關儀所識別的脈沖信號。此信號經過數字相關儀計算即可得到想要的參數(見圖1)。根據V/F轉換芯片原理的不同，本文選擇了兩種常用的VFC芯片進行選型[2-3]。

圖2、3介紹了這兩種不同原理的V/F芯片內部邏輯電路，其中AD652是一種同步電荷平衡式V/F芯片，VFC110則是異步電荷平衡式的V/F芯片。兩類電荷平衡式VFC的基本原理相同,但在細節上又有較大區別。實際上，電壓頻率變換器只是做到了將電壓轉換成脈沖信號,最終的頻率還需要通過計數器或者數字相關器來對脈沖信號進行計數并通過計算得到。

通過查閱芯片資料發現，AD652可以將0～10 V的電壓信號線性轉換為0～2 MHz的脈沖信號，支持的最大外部晶振頻率為4 MHz，當輸出為2 MHz時，線性失真度為±0.02%[4]；VFC110則可以將0～10 V的電壓信號線性轉換為0～4MHz的脈沖信號(不需要外部晶振)，當輸出2 MHz時，線性失真度同樣也為±0.02%[5]。相比較而言，VFC110的性能要比AD652好。本文電路主要是以VFC110為核心設計的。

圖4介紹了一種以VFC110為核心的V/F轉換電路[6]，通過改變電路中的輸入電阻就可以實現改變輸出頻率的目的，供電電壓選擇±15 V。

2 V/F芯片脈寬輸出分析

為了滿足數字相關器實際要求，需對輸出頻率的脈寬進行調制，AD652和VFC110都可以通過改變外部Cos電容值來改變輸出脈沖的脈寬[7]。但是在調制過程中發現當脈寬到達一定值時，通過調節Cos改變脈寬就變得很困難。例如AD652，在調試過程中發現，脈寬輸出當Cos到達6pF時，脈寬變化近似為0。

表1、2記錄了調試電路時，兩種芯片在不同的Cos時脈寬輸出情況。

表1 AD652脈寬輸出調試記錄

表2 VFC110脈寬輸出調試記錄

通過調試電路和計算可以發現，這些V/F芯片的脈寬輸出實際符合y=ax+b的輸出形式。其中：a是由V/F芯片內部單穩態觸發電路的電阻R和外部電容Cos決定的；b則是Cos空置時單穩態電路的固有輸出脈寬，即這兩種芯片都是當Cos空置時芯片會有一個固定的脈寬輸出，當有外接Cos時會有一個隨著Cos線性改變的脈寬輸出。我們只能通過在外部增加電容來達到改變脈寬的目的，但是芯片內部單穩態電路的固有脈寬卻是改變不了的。

此次設計V/F電路就是為了能產生數字相關器能識別的、可以實現0～10 V電壓信號轉換為0～2 MHz的脈沖信號，并且使得輸出信號脈寬為30 ns的目的。這樣，這些V/F芯片的最小輸出脈寬就不能滿足我們研發產品的需求。

3 V/F電路脈寬調制電路設計

分析V/F內部電路得知，當V/F內部通過比較器的信號單穩態觸發電路時，輸出信號的脈寬會發生改變。由此可以猜想，當在V/F芯片外部增加一個單穩態電路即可以獲得理想的脈寬輸出。

單穩態電路是數字電路中的一個比較重要的應用電路[8]。單穩態觸發電路具有如下工作特性：① 它的穩態和暫穩態2個不同的顯著狀態；② 在外界觸發脈沖的作用下，能從穩態翻轉到暫穩態，在暫穩態維持一段時間后，再自動返回穩態；③ 暫穩態維持時間的長短取決于電路本身的參數，與觸發脈沖的寬度和幅度無關(見圖5)。

由于具備了以上的3個特點，單穩態觸發電路廣泛應用于脈沖整形、延時(產生滯后于觸發脈沖的輸出脈沖)及定時(產生固定時間寬度的脈沖信號等)。

根據RC電路的不同接法，單穩態觸發電路可以分為微分型和積分型。

通過實際設計電路發現，微分型的單穩態電路輸出脈沖的下降沿較差。與微分型單穩態觸發電路相比，積分型單穩態觸發電路具有抗干擾能力較強的優點。積分型單穩態電路正常工作條件：觸發脈沖的寬度大于輸出脈沖的寬度。符合我們所需要的條件。

通過分析電路得知，積分型單穩態觸發電路的脈寬時間：

(1)

輸出脈沖的幅度為

Um=UOH-UOL

(2)

圖6是利用與非門和反相器以及RC積分電路組成的積分型單穩態觸發電路。由于V/F電路的輸出脈沖是負脈寬固定的脈沖信號，為了保證電路的正脈沖觸發，我們在觸發電路的輸入端增加一個反相電路，并且在觸發電路的輸出端增加反相器以保證脈沖的正向輸出。由單穩態脈寬的計算公式可以得出：只要改變電阻R和電容C的值就可以獲得相應的脈寬輸出。

需要特別注意的是，若是采用與非門電路構成的單穩態觸發電路時，電阻R要小于0.7 kΩ。

圖7中的電路是VFC的整體電路圖，在結合了數字相關器的實際要求之后，在電路中增加了分壓和電流放大模塊。輸出的脈寬信號通過分壓電路能夠輸出符合DSP的I/O能識別的電壓信號；由于經過反相器CD4069輸出的信號電流太小只有零點幾毫安，因此必須增加整個電路的驅動能力，使得后續的數字相關器可以正常工作。所以三極管構成的電流放大電路[9]使得整個電路具備了較強的驅動負載能力。

最后，關于電路中的器件選型需要注意的是，盡量選擇聚丙烯或者聚苯乙烯材料的電容和溫漂只有幾個10-6的精密電阻。電路建議選擇CMOS反相器和與非門。圖8的波形是信號經過TTL器件構成的單穩態觸發電路產生的波形，對比圖9的波形可以看出，CMOS器件的輸出波形具有良好的邊沿特性。

圖8 信號經TTL反相器輸出的波形

圖9的波形是由VFC110產生的脈沖信號經過單穩態觸發電路調制后的輸出信號。經過調整電路的RC參數，脈寬輸出可以維持在30 ns左右，能夠滿足數字相關器技術指標的要求。

圖9 不同RC值的輸出脈沖波形

圖10顯示的結果就是本次設計的脈寬調制電路與數字相關儀聯調時的上位機界面。

圖10 實現電路與數字相關儀的聯調

4 結 語

本文通過分析V/F轉換芯片和單穩態觸發電路原理，設計了一種能夠準確實現脈寬調制的電路并且經過標定實驗，電路的輸出信號最終能夠被數字相關器所識別，并且輸出信號穩定，非線性失真小，實現了本文初始設計電路的目的。

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