基于AD650的頻壓轉換器提高轉換精度的方法研究

張翠平+豐永

摘 要

AD650用作頻壓轉換器時，在實際使用過程中存在諸多問題，影響轉換精度。為靈活應用該芯片，在分析頻率信號在電路中流向及變換的基礎上，提出了如何計算并根據需要優化關鍵參數、選取合適材質的外部阻容器件以及改變數據手冊中典型電路的用法等方法改善轉換精度。最后根據實際案例，驗證方法的正確性和可行性，實現了頻率與電壓信號的線性變換，提高了轉換精度。

【關鍵詞】AD650 頻壓轉換 優化關鍵參數 轉換精度

轉速測量在航空航天、工業生產、家用電器等各領域廣泛應用，通常是某一產品或系統的核心部分。測量轉速傳感器輸出的是脈沖信號。脈沖信號的頻率與轉速成正比，通過測量頻率就可以得到轉速。測量頻率有兩種方法，一種是通過專用頻壓轉換電路轉換成電壓信號進行測量，另一種是采用計數的方式來實現。本文主要介紹的就是在頻壓轉換電路中常用的典型芯片AD650。在使用AD650時，通常按照數據手冊提供的典型電路實現，但在實際應用過程中卻存在很多問題，比如輸出零位問題、線性問題等，影響了轉換精度。

1 AD650的概述

1.1 AD650的典型電路

AD650是美國AD公司推出的高精度電壓頻率（V/F）轉換器，它由積分器、比較器、精密電流源、單穩多諧振蕩器和輸出晶體管組成。AD650 既能用作電壓頻率轉換器， 又可用作頻率電壓轉換器。依據數據手冊，AD650在用作頻壓轉換器的典型電路如圖1所示。

1.2 信號鏈分析

在做F/V轉換時，AD650接收的信號需是方波信號，因此進入AD650前需對被測信號進行整形。根據圖1的電路，經整形后的方波信號在電路中的流向及變換如圖2所示。

圖2中Fin端信號是轉速傳感器輸出的脈沖經整形之后的方波信號，經微分電路后在圖1中的B點得到方波信號的下降沿，該信號與AD650內部的電壓比較器比較，當下降沿來到時，比較器輸出高電平，觸發單穩多諧振蕩器輸出固定時間的高電平，該信號控制電流源開關將1mA的電流源打到積分電容Cint端，對積分電容Cint進行充電，充電時間是由電容Cos決定的，輸入脈沖的頻率越高，電容Cint上累積的電荷就越多，輸出電壓（電容Cint兩端的電壓）就越高，當Rint上的漏電流與Cint上的充電電流相等時，Cint兩端電壓保持穩定，此時，運放的輸出平均電壓與輸入頻率成正比的線性函數關系，實現了線性的F/V信號轉換。

1.3 參數設計

從以上分析可以看出，為保證F/V轉換的正常進行，有幾個關鍵參數需要確定，主要是Cos，Cint，Rint等。參數計算過程如下所示。

（1）確定輸入的最小頻率（fmin）、輸入的最大頻率（fmax）、響應時間（Response Time）、滿量程電壓輸出（Full Scale Voltage）、可接受的紋波最大值（Maximum Acceptable Ripple）；

2 應用實例

2.1 實例背景

為方便說明問題，本課題以一個實例進行分析。假設被測發動機轉速0-48000r/min，要求輸出電壓范圍0.1 - 4.9 V，得fmin=0Hz，fmax=800Hz，Voutmax=4.9，響應時間1s，不考慮紋波。根據上述計算得，Cos=0.165uF，Rint=5.444k，Cint=30.615uF，根據此組參數，選擇電容為多層瓷片電容，電阻為金屬膜電阻。

2.2 調試過程中遇到的問題

按圖1的典型電路連接，并使用上述計算所得的參數，得到如下結果：

（1）輸入為0-800Hz時，輸出滿足0到4.9，在較短時間內基本成線性關系；

（2）輸入頻率高于800Hz時，根據使用要求，輸出值應大于4.9V；但實際

測試時，高于800Hz時輸出值固定在3-4.9范圍內的某個值；

（3）頻率較高時，比如接近800Hz時，斷電再重新上電后，輸出從某個確定值經數小時后漂移到另一個確定值，漂移值有200mV左右。

2.3 影響因素及解決方案

針對上述調試過程中存在的問題，分析了出現問題的原因并提出了解決方案：

（1）根據使用要求，當輸入為0時，輸出為0.1，典型電路接法當輸入為0時，輸出理論上也應為0；為更靈活應用芯片，解決方法是利用芯片內部放大器，疊加一個0.1V基準電壓即可，基準電壓由對基準源AD580輸出的2.5V電壓通過R4和R5進行分壓產生。具體如圖3和圖4所示。

（2）當輸入頻率高于800Hz時，輸出應大于4.9V，否則根據采集到的電壓無法正確判斷當前的輸入值是多少，為解決這個問題，通過實驗驗證，在計算元器件參數時，調整式（a）中fmax的值，設定為測量值的1.5倍左右，按照這個參數算出的Cos近似取0.1uF，這樣當輸入頻率大于800Hz之后，輸出值基本保持在5.5V左右，而輸入頻率低于800Hz時，輸出保持線性關系。

（3）根據式（d）求出的Cint=30.615uF，根據實際調試結果，只要后續加合適的濾波電路，消除紋波影響，該電容值可以適當減小。實例中將Cint=4.7uF，后端加四階低通濾波電路，如圖所示5所示，大大消除紋波，并且降低了電容容值，方便了電容的選型。

（4）通過實驗驗證，時漂問題產生的原因是AD650用作F/V轉換時是基于電荷平衡原理的，單穩定時電容器被不斷充電、放電，然后開路，此時電容器可能恢復一些電荷，從而導致轉換時產生線性誤差并且使建立時間變壞。這種現象是源于瓷片電容的電介質吸收效應，將瓷片電容更換為介質吸收效應小的金屬化聚苯硫醚電容后，時漂問題解決。

3 實驗結果及分析

基于圖3、圖4和圖5的電路圖搭建了電路，并根據上述解決方案中重新修正了幾個關鍵參數，在電容材質選擇上選取了介質吸收效應小的電容，電阻選擇貼片器件，測試效果如圖6和圖7所示。endprint

圖6中1號波形是整形后的方波信號，為兼顧低頻部分，高頻時候上升沿有些失真，但從圖2中信號流向分析可以看出，AD650只需要下降沿部分，故不會影響轉換結果。圖中2號波形是圖1中B點的信號，3號波形是圖1中C點信號，4號波形是圖1中D點信號。從圖3中可以明顯看出，當方波信號的下降沿來時，單穩觸發器輸出一個固定時間的負脈寬，此時從4號波形上可以看出，電容在充電，當脈寬結束后，電容放電。下一個脈寬來時，電容再充電，如此往復，得到一個與頻率成正比的脈動的直流信號。圖7所示是脈動的直流信號經四階低通濾波后得到的波形，示波器縱坐標每格50mv時，經濾波后輸出的波形，近似一條直線，大大提高了轉換精度。

4 結束語

根據以上分析，設計了基于AD650的頻壓轉換電路，根據實驗調整關鍵參數的值并結合理論計算和實驗結果給出經驗計算方法，選擇介質吸收效應小的金屬化聚苯硫醚電容，解決了AD650在F/V轉換過程中存在的精度問題，目前所設計的基于AD650的頻壓變換器已量產，滿量程800Hz范圍內轉換精度達到0.1%。

參考文獻

[1]朱丫朋，李鴻鵬等.基于AD650的模擬信號光纖傳輸系統的設計[J].計算機測量與控制，2012，20（06）：1162-1164，1168.

[2]朱沛雋，濮實.一種新型電容器薄膜-聚苯硫醚[J].電子元件與材料，1991，10（01）：51-57.

[3]吳文秀.一種利用V/F和F/V轉換器實現遠距離隔離傳輸的實用電路[J].長江大學學報，2006，12（03）：110-111.

[4]劉光明.一種非線性頻/壓轉換電壓輸出的最優設計[J].電子技術與軟件工程，2015，23：236-237.

[5]張維昭等.基于LM331的寬頻頻率/電壓轉換電路[J].電子技術應用，2013，10：46-48+52.

作者簡介

張翠平（1982-），女，博士研究生在讀。講師。主要研究領域為傳感器信號調理電路設計、智能傳感器的設計、測控技術。

豐永（1982-），男，大學本科學歷。高級工程師。主要研究領域為智能傳感器設計。

作者單位

1.南京理工大學紫金學院 江蘇省南京市 210046

2.南京高華科技有限公司 江蘇省南京市 210049endprint