電荷平衡式V-F變換器的參數(shù)界定

寧新寧

(忻州師范學(xué)院 電子系，山西 忻州 034000)

0 引 言

電荷平衡式V-F變換器是高精度的A/D轉(zhuǎn)換器[1-3]，實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，電路工作原理簡(jiǎn)單，但參數(shù)設(shè)置要求嚴(yán)格，實(shí)際使用時(shí)，參數(shù)設(shè)置不合理，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換誤差較大，出現(xiàn)電壓輸入相同而頻率輸出有偏差[4-6]，甚至轉(zhuǎn)換電路無(wú)法正常工作。LM331是典型的電荷平衡式V-F變換器，頻率范圍為1～100 kHz[7-9]，以其為例，分析電荷平衡式V-F變換器參數(shù)界定。

1 LM331原理解析

LM331原理如圖1所示。R3為輸出端Pin3外接上拉電阻，LM331輸出端為OC門，必須通過(guò)上拉電阻外接電源才可輸出準(zhǔn)確的頻率信號(hào)。Pin2外接電阻R4為恒流源恒流控制電阻。Pin1為恒流輸出端，在Pin3輸出頻率信號(hào)為低電平時(shí)，Pin1為C2提供恒定充電電流I0，C2通過(guò)R2的放電時(shí)間決定輸出頻率信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間，C2充電過(guò)程中，Pin6電壓變化與Pin7輸入的模擬電壓信號(hào)比較，控制輸出頻率信號(hào)的高低電平轉(zhuǎn)換時(shí)間。Pin5外接的C1和R1控制充電時(shí)間，決定輸出頻率信號(hào)的低電平持續(xù)時(shí)間。

圖1 LM331原理圖

2 LM331參數(shù)估算

V-F變換器輸出頻率信號(hào)和輸入電壓信號(hào)成正比，數(shù)字信號(hào)基本完整還原模擬信號(hào)，I0必須為恒流[10-12]，I0為集成電路內(nèi)部恒壓源產(chǎn)生，恒定參考電壓為1.9 V，理論用1.9 V計(jì)算電路參數(shù)，確定輸出信號(hào)頻率，但實(shí)際轉(zhuǎn)換時(shí)，外接器件參數(shù)不同，I0和1.9 V通過(guò)外電路測(cè)量的數(shù)值都會(huì)有偏差[13-15]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)界定變換偏差最小的器件參數(shù)范圍，提高轉(zhuǎn)換精度，減小轉(zhuǎn)換誤差。

器件正常工作，C2和R2取值要求足夠大[16]，C2和R2足夠大，Pin6和Pin7電壓略相等，iR2≈uI/R2，C2充電電流為I0-iR2。

設(shè)輸出頻率信號(hào)的低電平時(shí)間為T1，T1取決于C1的充電時(shí)間，根據(jù)C1充電電壓公式,計(jì)算輸出頻率信號(hào)低電平時(shí)間為

(1)

C1、C2同時(shí)充電，C2充電時(shí)間也為T1，C2充得的電荷量為：

(2)

設(shè)輸出頻率信號(hào)的周期為T，高電平時(shí)間為T2，則T1+T2=T。高電平時(shí)間取決于C2的放電時(shí)間，C2經(jīng)R2放電，其放電電流同樣為iR2≈uI/R2，C2放電期間釋放的電荷量為：

(3)

輸出信號(hào)頻率正比于輸入電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換過(guò)程中C2積累和釋放電荷量相等，QC1=QC2，由式(2)和式(3)得：

(4)

由(4)式得輸出信號(hào)頻率為：

(5)

將式(1)代入式(5)得：

(6)

由式(6)推導(dǎo)可知，外圍器件參數(shù)一定，輸入電壓信號(hào)uI正比于輸出頻率信號(hào)f。但實(shí)際轉(zhuǎn)換時(shí)，R1、C1、R2、C2、R4等器件參數(shù)取值不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致V-F轉(zhuǎn)換精度不夠，嚴(yán)重時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器停止工作，需要實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)界定。

3 LM331參數(shù)界定

Proteus是一款嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)[17-20]，具有電路仿真、單片機(jī)系統(tǒng)仿真等強(qiáng)大功能。利用Proteus仿真軟件，對(duì)LM331參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真界定，參數(shù)界定由外接器件參數(shù)計(jì)算參考電壓及恒流I0，計(jì)算出的參考電壓最接近恒壓源電壓值時(shí)，外接器件對(duì)恒壓源影響最小，此時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最接近理論推導(dǎo)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，采用此時(shí)外接器件參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)誤差最小，精度最高。

由式(6)得：

(7)

由鏡像恒流源控制原理

(8)

將式(8)代入式(7)，則有：

(9)

參考電壓越接近1.9 V，電流越接近1.9 V/R4，則說(shuō)明V-F轉(zhuǎn)換越接近理論狀態(tài)，輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出頻率信號(hào)精度越高。

3.1 固定R1、R2、R3、R4和C1取值，界定C2取值

理論分析可知，R2和C2取值要求足夠大，以保證充放電時(shí)iR2≈uI/R2。由式(9)可知，C2與輸出頻率信號(hào)無(wú)關(guān)，由理論分析可知，C2取值至關(guān)重要，很大程度影響轉(zhuǎn)換精度。取R2=51 kΩ，C1=0.1 μF，R1=6.8 kΩ，R3=R4=10 kΩ固定不變，輸入電壓uI通過(guò)可變電阻提供變化電壓，輸出頻率信號(hào)通過(guò)示波器和頻率計(jì)顯示。

圖2 參數(shù)測(cè)量圖

示波器由上至下波形圖(圖3)，第1條為輸出頻率信號(hào)波形，第2條為恒流源電流I0波形，第3條為電容C2充放電電流波形，第4條為電容C1充放電電流波形。理論分析可知，V-F轉(zhuǎn)換本質(zhì)即利用轉(zhuǎn)換過(guò)程中輸入電壓uI和C2兩端電壓基本相等，推導(dǎo)出的相關(guān)結(jié)論，因而輸入電壓恒定時(shí)，C2充放電過(guò)程電流必須平穩(wěn)，由圖3可知，C2取值在0.01 μF向1 μF變化程中，波形逐漸平穩(wěn)，取值為0.1 μF時(shí)，波形已經(jīng)平穩(wěn)，考慮裕量，C2取10 μF。

3.2 固定R1、R2、R3、R4和C2的值，界定C1取值

實(shí)驗(yàn)選擇0～5 V輸入模擬電壓，每0.25 V采樣一次，根據(jù)不同電壓轉(zhuǎn)換得到的相應(yīng)頻率值，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的參考電壓UREF值，并與恒壓源理論電壓值1.9 V進(jìn)行比較，由圖4可知，固定其他參數(shù)，C1取不同值時(shí)，參考電壓UREF和I0的值都有一定波動(dòng)，但C1取值較小時(shí)，波動(dòng)較小，取值較大，波動(dòng)增大，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換精度隨輸入電壓變化。C1取值大小影響轉(zhuǎn)換精度是否與其他參數(shù)有關(guān)，下面討論C2取值對(duì)精度及C1的取值有無(wú)影響。

3.3 固定R1、R2、R3、R4的值，界定C1和C2取值

由圖5～7可見，C1取不同數(shù)值，只要C2取值大于等于C1取值的100倍以上，就可以保證轉(zhuǎn)換精度波動(dòng)較小，轉(zhuǎn)換公式雖然與C2取值無(wú)關(guān)，但實(shí)際使用時(shí)，C2取值至關(guān)重要，C1和C2取值接近時(shí)，轉(zhuǎn)換誤差最大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，C2取值即要滿足大于C1取值的100倍，還要求C2取值不能超過(guò)150 μF，否則輸入電壓低于0.5 V時(shí)，沒有轉(zhuǎn)換頻率信號(hào)輸出。為保證轉(zhuǎn)換精度，C2一般取100 μF以下，C1取值等于其1%左右即可，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通常典型值C1取0.1 μF，C2取10 μF，如果兩者取值同時(shí)再減小時(shí)，輸出信號(hào)頻率整體增大。

(a)C2=0.01 μF

(b)C2=0.1 μF

(c)C2=1 μF

圖4 C1變化對(duì)精度影響

圖5 C1取0.1 μF時(shí)C2變化對(duì)精度影響

圖6 C1取51 nF時(shí)C2變化對(duì)精度影響

圖7 C1取10 nF時(shí)C2變化對(duì)精度影響

3.4 固定R1、R3、R4的值，界定電容C1、C2和R2取值

由圖8～9可見，C2取值大于等于C1取值100倍時(shí)，對(duì)輸出精度沒有影響，在輸入電壓0～5 V中間段變化時(shí)，基本和R2取值無(wú)關(guān)，但R2取值小于39 kΩ時(shí)，對(duì)較高輸入電壓無(wú)法轉(zhuǎn)換，圖9為取20 kΩ時(shí)輸出頻率值，當(dāng)輸入電壓超過(guò)3.75 V時(shí)，無(wú)轉(zhuǎn)換頻率信號(hào)輸出，如果實(shí)際使用時(shí)沒有注意這一點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)和輸入電壓偏差很大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤發(fā)生。

圖8 R2取47 kΩ時(shí)C1和C2按比例變化對(duì)精度影響

圖9 R2取20 kΩ時(shí)C1和C2按比例變化對(duì)精度影響

實(shí)驗(yàn)表明，R2取值為39 kΩ至100 kΩ時(shí)，C2取值大于等于C1取值100倍時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)換精度基本沒有影響，但當(dāng)R2取值過(guò)小時(shí)，如20 kΩ時(shí)，會(huì)出現(xiàn)輸入電壓增大至某一數(shù)值時(shí)，無(wú)輸出頻率信號(hào)。

3.5 固定R3、R4取值，界定電容C1、C2和R1、R2取值

R2取值51 kΩ，C2取值大于等于C1取值100倍時(shí)，C1取值0.1 μF，C2取值10 μF時(shí)，R1取值對(duì)輸出的影響。由圖10可見，R1和R2電阻接近時(shí)，輸入電壓較高時(shí)精度很高，基本接近理論值，輸入電壓低，精度明顯降低，輸入電壓0～5 V變化時(shí)，轉(zhuǎn)換過(guò)程精度不一，影響輸出頻率信號(hào)。綜合3.3分析可知，實(shí)際使用時(shí)，輸入電壓變化較緩慢且電壓值較大時(shí)，R1和R2取值接近為好，以獲得較高轉(zhuǎn)換精度；R1為R2取值的1/10時(shí)，轉(zhuǎn)換精度整體比較平穩(wěn)，適合轉(zhuǎn)入電壓變化劇烈的情況。

3.6 固定R1、R2、C1、C2取值，R3和R4對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響

R3為OC門外接上拉電阻，實(shí)驗(yàn)證明，R3取值在1～500 kΩ范圍內(nèi)，外接5 V電源，對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程基本沒有影響。由圖11可見，R4為恒流源恒流控制電阻，取值變化時(shí)，對(duì)輸入轉(zhuǎn)換電壓取值影響很大。R4取50 kΩ，最高輸入電壓僅為1.9 V左右，此時(shí)，如果增大R2的值為100 kΩ時(shí)，最大輸入電壓為3.74 V左右，因而實(shí)際應(yīng)用時(shí)R4參照R2取值。

圖10 R2、C1、C2不變，R1取值對(duì)精度影響

圖11 R4取值對(duì)精度影響

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)V-F變換器輸入電壓和C2兩端電壓約相等的前提條件，通過(guò)示波器確定C2取值大于1 μF，以此為突破口，改變各器件參數(shù)取值，實(shí)驗(yàn)所得參考電壓越接近集成電路提供的參考電壓，則輸出頻率信號(hào)越接近理論值，轉(zhuǎn)換精度越高。實(shí)驗(yàn)測(cè)定，C2取值1～50 μF，取值越大轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)，但精度越高，典型值為10 μF左右；C1取值和C2相近時(shí)，轉(zhuǎn)換精度大大降低，C1取值小于C2的1%左右轉(zhuǎn)換效果最好；R2取值39～100 kΩ，取值太小，輸入電壓較高時(shí)無(wú)輸出頻率信號(hào)，取值太大，轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，典型值為51 kΩ左右；R1和R2取值接近時(shí)，輸入電壓較高時(shí)精度很高，基本接近理論值，輸入電壓越低，精度明顯降低，且轉(zhuǎn)換過(guò)程精度不一，影響輸出頻率信號(hào)，R1取值是R2取值1/10左右時(shí)，轉(zhuǎn)換精度整體比較平穩(wěn)，根據(jù)R2取值，選定R1取值；R3取值1～500 kΩ，外接5 V電源，對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程基本沒有影響，典型值為10 kΩ；R4為恒流源恒流控制電阻，取值變化時(shí)，對(duì)輸入轉(zhuǎn)換電壓取值影響較大，比R2小的越多，輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍越大，接近時(shí)R2，動(dòng)態(tài)范圍最小，根據(jù)R2取值，R4典型值為10 kΩ。