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在要求嚴格單調響應、高分辨率、較低噪聲和適中速度的數據采集系統中，設計師們都喜歡使用VFC(電壓-頻率轉換器)進行A/D轉換。VFC可以產生一個頻率與輸入電壓成正比的脈沖列。然后，微控制器或邏輯會將一個固定時間段設為門并計算該段時間內通過門的脈沖數，從而將頻率轉換成一個數字。 這種方法的主要缺點是，為了提高速度，設計師們必須在高頻率狀態下運行VFC，造成線性度性能下降。 在本設計實例中，電路將輸入電壓轉換為一個均衡的時間間隔，然后，微控制器會利用這一時間間隔計算來自其內部時鐘的脈沖，而結果著實令人贊嘆： ● 由于電壓-時間轉換器在低頻狀態下運行，帶來了良好的線性度； ● 較高的時鐘頻率使得A/D轉換速度較快； ● 程序或邏輯變得更簡單，因為它僅需計算時鐘脈沖，具有門控電路； ● 價格低廉。 重點在于增加計數頻率不會影響A/D轉換的線性度，而增加VFC的頻率往往意味著線性度會變得更糟。 在圖1給出的電路中使用的是改良VFC架構(參考文獻1)，其中的輸入電壓VIN和參考電壓VREF的角色得到了互換。R1-R2網絡可切換輸入電壓，因此網絡中總是有高于參考電壓的正電壓，并維持了適當的操作條件。該電路使用了4066部件的所有開關：兩個并聯的開關構建S1可降低不完善的開關平整度對線性度的影響，S2處有一個開關，最后一個開關位于啟動電路中，與CINT并聯，在初始化過程中由邏輯控制，如參考文獻1中所示。 圖1：使用改良VFC架構的電路，其中的輸入電壓適用于參考電壓終端，反之亦然。 電路上電后，啟動電路會使CINT短路一段時間，而單穩態(one-shot)電路會通過內部電路進行復位。然后，開關S1開啟、S2關閉。RINT左側連接至地面，右側得到0.2V的電位。啟動時間結束后，與CINT并聯的開關開啟，電容器開始充電。此時，積分電路電壓呈上升趨勢；當上升至2.5V左右的閾值時就會觸發單穩態電路。開關S1關閉、S2開啟。RINT的右側獲得依賴于輸入電壓的正電位，但其值始終大于0.2V。通過RINT的電流方向發生回轉，CINT開始放電。當單穩態時間結束后，此循環會繼續重復。 當輸入電壓從0V升至5V時，輸出周期也會從78μs升至578μs。集成電容器CINT和單穩態電路施密特輸入的閾值水平不會參與此時間段與電壓的相對關系。在此期間，10MHz的時鐘脈沖可生成780~5780的數字—每毫伏一個計數。線性度為一個計數或±0.02％，由于最大頻率僅為12.8kHz，此點也就不足為奇。A/D轉換最多需要578μs，是1MHz VFC的8.65倍(1MHz VFC計數1μs的5000個脈沖需要5000μs的時間)。其接口程序簡短、簡單，與參考文獻2所述類似。 由于輸入電壓的移位，校準需要做一些重復工作：使用單穩態電路的電位器將靈敏度調至100μs/V。單穩態電路脈沖的標稱持續時間為26μs。取消控制器中的780個計數抵消。 從表1可看出，電壓-時間轉換方法要明顯優于V-F轉換方法(參考文獻3、4)。但目前還沒有芯片制造商提供此種類型的轉換器。 參考文獻 1. Dimitrov J., Inexpensive VFC features good linearity and dynamic range. EDN, Design Ideas, Dec 1, 2011, pp.47-48. 2. Dimitrov J., Linearize optical distance sensors with a voltage-to-frequency converter. EDN, Design Ideas, Apr 19, 2012, pp.47-48. 3. AD650 voltage-to-frequency and frequency-to-voltage converter. 4. VFC320 voltage-to-frequency and frequency-to-voltage converter. |
