基于频率转电压的电路设计∗

郭 涛 刘启明 古依聪 刘叶琦 石 帅

（中北大学电子测试技术国家重点实验室 太原 030051）

1 引言

电压转频率的方法有好多种，常用的主要有两种方法，大致分为两种类型，分别为多谐振荡型和电荷平衡型。它们两者之间各有利弊，前者转换的过程主要分为三步。第一步：电压的转换，将电压信号转换为电流信号；第二步：对于电容进行充放电，以着电流信号进行充放电；第三步：实现频率、电压的转换。后者转换的过程分为四步走。第一步：通过输入信号对积分器进行充电；第二步：设定比较器的阈值，积分器输出端与阈值比对；第三步：大于阈值时，电荷源被触发；第四步：触发后，积分器进行放电，实现频率与电压之间转换（实质为输入信号与触发频率之间的对应比例关系）。由此可知，其涵盖三部分：积分器、比较器和电荷源［3］。除此之外，也存在一种利用微处理器进行频率/电压信号的转变，通过对前端分压电阻的控制，使微处理器进行波形计数并使用计得的频率设置PWM波形输出的频率，但在实现电压转频率过程中，存在输入电压范围有限、存在延时的情况，在实际应用当中适应范围较小［6］。

采用多谐振荡器的频率-电压转换电路具有简单、廉价、功耗低等优点，但其精度低于电荷平衡频率-电压转换电路，与此同时，针对于负输入信号，瞬态是无法积分的。然而，电荷平衡型频率-电压转换具有更高的精度，并且还可以针对于负输入信号进行处理。一般采用特定的频率对电压集成芯片或者分离元件进行频率转电压信号的变换［7］。

综上所述，相对比多谐振荡型而言，电荷平衡型F/V电路主要涵盖两处优点，分别为高精度，具备负输入信号处理能力。相对于利用微处理器方法进行频率转电压，存在延时，相对于之前的两种方法而言，工程量相对较大，在工业实际需求方面上，较难满足［8］，但是对于电荷平衡式而言，也存在着不足，例如芯片对于温度影响较大，可能存在温漂的现象，针对于这类问题，也考察了一系列的芯片，最终选择LM231芯片，采用新型温度补偿能量隙参考电路，在工作温度范围能够正常工作，温漂比较小，弥补温漂等所存在的问题。在频率转电压上得到了广泛的应用。因此，本文将选用电荷平衡式频率转电压方法进行硬件电路设计，实现了1kHz～4kHz频率到1.2V～4.98V和100Hz～800Hz频率到0.65V～5.0V电压的转化［9］。

2 频率转电压的电路设计

该设计的频率转电压的电路主要涵盖5个部分，包括：电源配置电路、隔离电路、信号产生电路、F/V电路、信号调理电路；频率转电压电路在于把频率参数转换为电压的参数，在信号的处理和控制上具有重要的意义。在此，电源配置电路是电路不可或缺的一部分，对整体电路进行供电支持，针对于不同的芯片供电要求，由电源配置电路进行适当的调整；隔离电路在于把信号地与电源地给分离开来，减少信号端干扰；信号产生电路的作用是把信号调理为ttl信号，用于后期信号处理验证；F/V电路为核心电路，整个转换电路的性能由该模块设计的好坏直接决定；信号调理电路包括滤波和放大两部分，滤波部分对无用的信号进行滤除，去除电路中所存在的纹波信号，提高信噪比，保证信号稳定输出；放大部分对电压进行放大，以满足频率与电压之间地对应比例关系。

2.1 电源配置电路

本次电源供电采用外接电源DC正负15V供电，信号产生电路在此设置为双电源供电，可以外接电源正负15V直接供电，滤波部分放置在电源输入端和信号输出端之后，F/V电路和隔离电路均为单电源供电，F/V电路可由外接电源+15V直接供电，针对于隔离模块，在此选用LT1764A芯片将外接电源转换为+5V进行供电，+5V配置电路如图1所示，针对于放大电路，采用的双电源供电，供电电压设置为正负5伏，+5V由LT1764A芯片配置，-5V

图1 +5V配置电路

选用7660芯片进行配置，负5伏电压配置电路如图2所示。

图2 -5V配置电路

+5V配置公式如下所示：

选定AT为25℃时，IADJ为3uA，为了配置5V输出，调整R2为100k时，R1为34.7k，选精度为1%的金属膜电阻，定标称值为34.8k。

2.2 隔离电路

在电路设计当中，控制电路和开关之间需要良好的电气隔离，因此需要把信号输入端与后续处理电路隔离开来，减少输入信号对后端电路的影响。综合考证了许多器件的特性、工作原理、对应关系等，最终选取6N137隔离芯片，其内部探测器主要由三部分组成，包括：光电二极管、高增益线性运算和开放集电极肖特基钳位三极管。当有电流通过引脚2和引脚3（一般为30ma）时，发光二极管工作，发出光亮，光敏二极管受光后，反向偏置接通，其输出端与引脚7构成了一个与门，进而控制三极管是否打开，输出是高电平还是低电平，实现是信号隔离问题。电路设计如图3所示。

图3 隔离电路

当输入信号电流小于阈值（一般为3mA，最大限度为5mA）或者使能端为低电平的时候（此处不予考虑），输出为高电平。信号的输入、输出对应关系如表1所示。

表1 信号输入与输出对应关系

2.3 信号产生电路

选用可调幅度、频率的方波信号进行验证，在此设计运放方波发生器，由于方波信号只有高电平和低电平两种状态，为了要产生这两种状态，电压比较器成为方波发生器的不可或缺的一部分；并且由于两种状态需要连续性相互转换，即产生振荡并引入负反馈；由于输出的状态应在一定的时间间隔内变更，即需要延时环节进行来维持这一段时间。可通过调整电源值、电容值调整输出脉冲信号的幅度和相应的频率［10］。脉冲信号电路设计如图4所示。

图4 信号发生电路设计

所对应的仿真结果如图5所示。

图5 信号发生电路仿真结果

2.4 F/V电路

F/V电路模块是整个电路设计重要组成部分，该部分的设计直接影响到电路的整体性能。本次F/V电路模块选用的是LM231芯片，LM231芯片，采用新型温度补偿能量隙参考电路，在工作温度范围能够正常工作，精度高，温漂比较小，弥补温漂等所存在的问题。并且动态范围大，线性度好，失真小［9］。外围电路设计如图6所示。

图6 F/V转换电路

针对于F/V转换电路，其输入信号（信号发生器输出端）将通过微分器（C5和R12组成）进入比较器的反向输入端，针对于比较器的同相输入端，电源将通过电阻（R13、R14）分压获取，RS（R16、R3006P）一来调整输出电压和频率的对应关系，二来调整2引脚通路电流，电流大小为0.372mA，2引脚基准电压为1.7V～2.08V，调整电流需维持基准电压在规定的电压范围之内（1.7V～2.08V），以保证器件的正常运行。

LM231内部结构如图7所示。从引脚6输入脉冲信号，将信号处于下降沿时候，引脚6处的电压低于同相端，输出结果将导致RS触发器发生置位，Q端输出，输出为高电平，RS触发器接下来的输出走向朝上进行。通过电流开关，电流开关连接到引脚1，镜像电流源对电容CL（C8）充电，引脚1输出高电平。同时，由于RS触发器输出为Q输出，复位晶体管被切断，电源VCC通过电阻RT（R15）对电容CT（C7）充电。针对于定时器反向输入电压，当电容CT（R7）大于其电压（2/3Vcc），定时器输出高电平，RS触发器被复位。同时，引脚6处的电压值高于引脚7处，Q端处输出低电平，电流开关处于断开状态，接下来与引脚1相连接，对外部电路进行放电（CL通过电阻RL即R17进行放电），引脚1电压稳定输出，与此同时，复位晶体管导通，CT（C7）向外部电路进行放电。当下一个脉冲信号下降沿到达时，重复一遍上述过程，实现频率与电压的转换。

图7 内部结构图

配置公式如下所示：

RL（R17）和CL（C8）组成RC网络，定时器比较器同相输入端被RT（R15）、CT（C7）组成， fIN为6引脚输入脉冲信号的频率。

2.5 信号调理电路

为了消除F/V转换电路中直流信号中存在的纹波信号以及滤出电容放电引起的纹波干扰，将从两处进行消除［11］，第一处：在电源处，连接0.1uF接地，在根源处消除纹波信号；第二处：在F/V模块1引脚输出端处，连接51Ω电阻、0.1uF电容接地，外接稳压管，信号输出，以保证输出信号为纯净的直流信号，消除直流信号中存在的纹波信号，调理电路如图8所示。

图8 信号调理电路

LM231频率转电压模块电压输出范围受限，为了满足频率与电压之间相对应关系，将进一步对信号进行放大处理，满足实际的需求［12］。在设计放大电路时，应保证高增益和低噪声的同时也要注重对抗干扰和抑制噪声的能力，与此同时，也要考虑高信噪比等特点。本次选用的是亚德诺公司的放大器ADA4896-2，具有低噪声、单位增益稳定、轨对轨输出特点。本系统设计的放大电路如图9所示。

图9 放大电路设计

放大电路增益（G）为

通过电路仿真软件Multisim进行仿真，当输入电压为1V直流时，输出为3V直流，增益为3，仿真结果如图10所示，根据相应的需要进行调整。

图10 放大电路Multisim仿真结果

3 试验结果分析

通过对于F/V整体电路的测试，信号幅值选定2.5Vpp，直流偏离1.25V，频率点取值为从1kHz-4 kHz，测量相对频率点的电压值，频率/电压输出关系如表2所示。

表2 频率/电压输出关系

图11 电压频率拟合直线

与此同时，也相应地对于F/V转换电路做出相应的测试调整，以来适应多种参数需求。在此，调整RS，前提确保2引脚处基准电流为0.372mA左右，电压为1.7V～2.08V范围内，实测2.5Vpp，频率范围为100Hz～800Hz的信号，测得相对应的输出电压，表3为电压、频率的对应关系，相应得到拟合直线如图12所示。

表3 频率/电压输出关系

图12 电压频率拟合直线

4 结语

本文针对信号传输性的问题产开，为了更好地将信号进行远距离传输，使信号在传输的过程中不受到干扰而发生失真［13］，本文设计一款线性度为0.8%，精度为1%的F/V转换电路，实现了1kHz～4kHz频率到1.2V～4.98V和100Hz～800Hz频率到0.65V～5.0V电压的转化，可应用于传感器测量、转速计和电机的转速测量等，应用范围广泛。