集成電路課程設(shè)計(jì)-vfc同步電壓-頻率轉(zhuǎn)換器原理及應(yīng)用

1、<p>　　集成電路原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　題 目 VFC同步電壓-頻率轉(zhuǎn)換器原理及應(yīng)用 </p><p>　　授課教師 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　專

2、 業(yè) 電子信息工程 </p><p>　　VFC同步電壓--頻率轉(zhuǎn)換器原理及應(yīng)用</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電壓／頻率變換電路（Voltage Frequency Converter）簡(jiǎn)稱為U／F變換電路或U／F變換器（UFC），頻率／電壓變換電路簡(jiǎn)稱為F／U變換電路或F／U變

3、換器（FUC）。集成的U／F變換器和F／U變換器在電子技術(shù)、自動(dòng)控制、數(shù)字儀表、通訊設(shè)各、調(diào)頻、鎖相和模數(shù)變換等很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于U／F和F／U變換器不需要同步時(shí)鐘，所以在與微機(jī)連接時(shí)電路簡(jiǎn)單。模擬電壓變化轉(zhuǎn)變成頻率變換以后，其抗干擾的能力增強(qiáng)了，因此尤其適用于遠(yuǎn)控系統(tǒng)、干擾較大的場(chǎng)合和遠(yuǎn)間隔傳輸?shù)确矫?。U／F變換器和F／U變換器有模塊式結(jié)構(gòu)和單片集成式兩種。典型的變換方法有4種：積分恢復(fù)型、電壓反饋型、交替積分型和恒流開(kāi)關(guān)

4、型。單片集成的U／F和F／U變換器常采用恒流開(kāi)關(guān)型，通常都是可逆的，既可作為U／F使用，也可作為F／U使用，具有體積小、本錢低的優(yōu)點(diǎn)，但是外圍元件較多，精度稍差些。模塊式變換器一般做成不可逆的專用變換器，通常將U／F和F／U設(shè)計(jì)成兩種獨(dú)立的模塊。其優(yōu)點(diǎn)是外圍元仵少，一般只有調(diào)零和調(diào)滿刻度的元件在集成塊的外面，本節(jié)以VFC100同步型U／F、F／U變換器為例介紹U／F、F／U變換器。</p><p><b&g

5、t;　　第一章 引言</b></p><p>　　VFC100是一片功能很強(qiáng)的電壓／頻率轉(zhuǎn)換器，采用電荷平衡技術(shù)，嚴(yán)格的復(fù)位組合周期取自外部時(shí)鐘頻率，能較好地消除誤差及其他轉(zhuǎn)換器所要求的外部定時(shí)元件的漂移。它還采用高精度輸入電阻來(lái)設(shè)置全刻度輸入電壓，在許多應(yīng)用中無(wú)需外部調(diào)整就可獲得所要求的精度。外加同步頻率可設(shè)置滿量程頻率輸出，10V滿量程輸人電壓由精密電阻提供。單穩(wěn)輸出電路對(duì)優(yōu)化輸出脈沖寬度很有用，

6、特別用在光學(xué)耦合和隔離電壓傳送中。精準(zhǔn)的5V基準(zhǔn)電壓可用于雙極性輸入偏置、激勵(lì)電橋和傳感器以及自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。因不需外調(diào)整，所以外圍元件很少。采用集電極開(kāi)路輸出，低有效集電極開(kāi)路輸出給予非?？斓拿}沖輸出前沿，可很方便地與TTL，CM0S電路接口。VFC100同步型U／F變換器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、電壓隔離、模數(shù)轉(zhuǎn)換等方面。</p><p>　　第二章 VFC100電壓-頻率轉(zhuǎn)換器功能簡(jiǎn)介</p&g

7、t;<p><b>　　一、性能特點(diǎn)：</b></p><p>　　1.滿量程頻率由系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)定；不需要關(guān)鍵的外部元件。</p><p>　　2.在精密滿10V電壓輸入時(shí),增益誤差不超過(guò)0.5％。</p><p>　　3.內(nèi)設(shè)精密5V參考電源。</p><p>　　4.極好的線性，在100kHz時(shí)，最大誤差

8、不超過(guò)0.02％，在1MHz時(shí)，不超過(guò)0.1％。</p><p>　　5.具有低的增益漂移：不超過(guò)5010-6 /ºC 。</p><p><b>　　二、應(yīng)用范圍：</b></p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換 2.過(guò)程控制 3.數(shù)據(jù)采集 4.電壓隔離</p><p><b>　　三．引腳及其功能：

9、</b></p><p>　　圖1 VFC100引腳圖</p><p>　　VFC10外形采用16 腳D IP 封裝結(jié)構(gòu),便于和D IP插座配合使用。其引腳功：</p><p>　　1腳：V+ ，為正電源端。</p><p>　　2腳、3腳：NC，為空腳。</p><p>　　4腳：IOUT，為內(nèi)部積分

10、輸出端，一般與5腳之間接入積分電容。</p><p>　　5腳：CINT,為積分負(fù)輸入端，接積分電容。 </p><p>　　6腳、7腳：IN+、Ui ，為積分同相輸入與模擬電壓輸入端。</p><p>　　8腳：V，為負(fù)電源端。</p><p>　　9腳：Cos ，輸出單穩(wěn)電容端。</p><p>　　10腳：CLK

11、，同步時(shí)鐘輸入端。</p><p>　　11腳：f0 ，U/F變換頻率輸出端。</p><p>　　12腳：DGND，為數(shù)字地。</p><p>　　13腳：AGND，為模擬地。 </p><p>　　14腳、15腳：-CIN、+CIN，內(nèi)部比較器輸入端。</p><p&g

12、t;　　16腳：VREF，為內(nèi)部5V參考電壓輸出端。</p><p>　　四、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及基本接法：</p><p>　　圖2 VFC100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及U/F變換模式的基本接法</p><p>　　圖3 U/F變換模式時(shí)的變換波形圖</p><p>　　圖2為VFC100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及變換時(shí)的基本接。它的內(nèi)部由積分器、比較器、定時(shí)邏輯、

13、輸出單脈沖和基準(zhǔn)電源等部分組成。輸入電壓通過(guò)積分器積分,比較器比較,在同步時(shí)鐘的觸發(fā)下,輸出頻率。在U /F變換模式時(shí),輸出頻率公式為: 式中: 是模擬輸入電壓, 是同步輸入時(shí)鐘頻率。圖3為U/F變換模式時(shí)的變換波形圖。</p><p><b>　　工作原理分析：</b></p><p>　　VFC100電壓-頻率轉(zhuǎn)換器輸出一串?dāng)?shù)字脈沖，其平均頻率與輸入電壓成正比，輸

14、出脈沖低電平有效、下降沿由輸入時(shí)鐘的上升沿同步。</p><p>　　輸入運(yùn)放（圖2）接成積分器結(jié)構(gòu)，在輸入電壓作用下流入 的電流使積分器按負(fù)斜率積分，當(dāng)積分器輸出電壓低于基準(zhǔn)電壓（5V）時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，激活定時(shí)邏輯電路。一旦定時(shí)邏輯電路被激活，就在遇到時(shí)鐘信號(hào)第一個(gè)下降沿之后的上升沿處接通S1，接通時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘周期，在該周期內(nèi)，由于，積分器按正斜率積分，稱為恢復(fù)周期。在恢復(fù)周期內(nèi)，定時(shí)邏輯電路輸出一個(gè)VFC脈

15、沖。</p><p>　　在這里，積分電容不重要，因?yàn)榛謴?fù)時(shí)間由外部時(shí)鐘周期確定。</p><p>　　當(dāng)輸入信號(hào)的負(fù)向積分電壓低于比較器門限時(shí)，負(fù)向積分繼續(xù)進(jìn)行，直到恢復(fù)周期開(kāi)始（等待需要的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘）。輸出脈沖由外部時(shí)鐘上升沿同步，這將導(dǎo)致瞬時(shí)輸出中包含時(shí)鐘頻率的子諧波，然而，平均頻率能精確模擬輸入電壓。</p><p>　　滿量程10V（即輸入電流0.5mA）產(chǎn)

16、生的標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率等于時(shí)鐘頻率的一半，即：</p><p><b>　　=== </b></p><p>　　注意：輸入電壓超過(guò)10V后，頻率不再增加。</p><p>　　與傳遞函數(shù)無(wú)關(guān)，其絕對(duì)精度不重要，只影響積分電壓波的幅度，其選擇范圍在較寬的的范圍內(nèi)不影響精度，為保持最好的線性需要良好的絕緣特性。選擇合適的電容可確保積分電壓波形在可接受的

17、范圍內(nèi)。</p><p>　　要求積分電壓正負(fù)擺動(dòng)范圍關(guān)于比較器門限電壓近似對(duì)稱，高于門限的電平比低于門限的電平約大1/3。</p><p>　　第三章 VFC100基本應(yīng)用簡(jiǎn)介</p><p>　　VFC100有單極性輸入和雙極性輸入兩種接法。</p><p>　　VFC100雙極性輸入接法</p><p>　　

18、圖4 雙極性U/F變換接法</p><p>　　時(shí)鐘頻率為1MHz，R1為20k，積分電容為0.01F，輸入模擬電壓為 -5～+5V，輸出頻率為0～500kHz。</p><p><b>　　2.F/U變換模式</b></p><p>　　圖5 VFC100的F/U變換模式</p><p>　　上圖為F/U變換模式電

19、路圖，頻率從14腳輸入，要求輸入頻率的最小脈寬為200ns。7腳與4腳相連作為電壓輸出端。</p><p>　　輸出電壓的公式為 =×20（V）</p><p>　　式中，是輸入頻率， 是同步輸入時(shí)鐘頻率。</p><p><b>　　變換波形為</b></p><p>　　圖6 VFC100的F/U變換模式

20、的變換波形</p><p>　　3. 失調(diào)與增益調(diào)整電路</p><p>　　如圖7所示，失調(diào)與增益調(diào)整電路中，RP2 的作用是對(duì)失調(diào)電壓進(jìn)行細(xì)調(diào)，RP1的作用是對(duì)增益進(jìn)行細(xì)調(diào)。</p><p>　　圖7 失調(diào)與增益調(diào)整電路</p><p><b>　　第四章 應(yīng)用設(shè)計(jì)</b></p><p>

21、;<b>　　1.數(shù)控頻率電</b></p><p>　　圖8 數(shù)控頻率電路</p><p>　　數(shù)控頻率電路(VFC100雙極性輸入接法)由D /A轉(zhuǎn)換器(DAC0808) 、運(yùn)算放大器(CF725) 、基準(zhǔn)電壓(MC1403) 、V /F轉(zhuǎn)換器(VFC100)等組成。DAC0808是T形R - 2R電阻網(wǎng)絡(luò)8位D /A轉(zhuǎn)換器,可受CPU或其他數(shù)字電路控制,該

22、D /A轉(zhuǎn)換器采用雙極性輸出形式,通過(guò)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成輸出電壓 ,其中參考電壓由MC1403提供。根據(jù)D /A轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器的特性,輸出電壓如下:</p><p>　　=-×{++……}=-×</p><p>　　式中:D7～D0是二進(jìn)制“1”或“0”; R4可根據(jù)輸出電壓峰值的大小決定。當(dāng)數(shù)字量輸入為00H,調(diào)節(jié) ,使輸出電壓 = - 5V;當(dāng)數(shù)字量輸入為80H,

23、調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器零電位,使輸出電壓 = 0V;當(dāng)數(shù)字量輸入為FFH,調(diào)節(jié)Rw1使輸出電壓= 5V。通過(guò)運(yùn)算放大器輸出電壓 ( - 5V～5V)變化,控制VFC100轉(zhuǎn)換器(雙極性輸入連接)輸出頻率 (0～500kHz)變化。</p><p>　　2.電流控制頻率電路</p><p><b>　　第五章 結(jié)論</b></p><p>　　本文介

24、紹了電壓- 頻率轉(zhuǎn)換器VFC100集成電路,通過(guò)二個(gè)實(shí)際應(yīng)用電路得出結(jié)論, VFC100集成轉(zhuǎn)換器連接簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大,在工業(yè)控制、智能控制及過(guò)程控制中必將得到廣泛地應(yīng)用。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，對(duì)VFC100有了更深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)VFC100的功能特性有了更深的了解。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，遇到了很多自己不懂的問(wèn)題，這時(shí)自己通過(guò)各種方法查閱各種文獻(xiàn)，資料，鍛煉了自己的搜集資料的能力?？傊@次課程設(shè)計(jì)使我學(xué)到了不少東西，</p>

25、;<p><b>　　參考文獻(xiàn):</b></p><p>　　[ 1 ] 潭博學(xué),苗匯靜. 集成電路原理及應(yīng)用[M ]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2008. [ 2 ] 楊振江,蔡德芳. 新型集成電路[M ]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 1998.</p><p>　　[ 3 ] 張國(guó)雄. 測(cè)控電路[M ]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.&l