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电荷平衡式电压-频率转换器的原理及误差分析
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电压频率转换器芯片AD650_电路图
    TD650(AD650) 电压/ 频率 (V/F) 和频率/ 电压 (F/V) 转换器1　特点1) 工作频率高， V/F 变换工作频率可达1MHz2) 非常低的非线性度：　满度输出频率为10KHz 时，非线性度典型值：0.002%　满度输出频率为100KHz 时，非线性度典型值：0.005%　满度输出频率为1MHz 时，非线性度典型值：0.07%3) 输出失调可调节为零4) 频率输出与CMOS 或TTL 兼容5) 输入电压范围大，输出方式可以是单极性、双极性或差动输入电压6) 外围电路简单，既可做V/F 变换，又可做F/V 变换7) 具有独立的数字地与模拟地，很容易与标准逻辑电路或光电耦合器接口2　应用简介TD650 是高精度、高频型单片集成电压频率（V/F）和频率电压（F/V）变换电路。TD650可构成廉价高分辨率低速A/D 转换器、远距离隔离信号传输电路、锁相环电路、调制解调电路、精密步进马达速度控制电路、窄带滤波电路；在F/V 模式下，可构成精密转速表、FM 解调电路等。TD650 被广泛应用于计算机、精密测量、仪器仪表、通讯雷达及航空航天等领域。TD650 与美国AD650 的功能、封装形式、引线排列完全相同，互换使用。3　 封装形式 D―14 线4　管脚接法及功能框图5 AD650应用电路6　参数规范注：“*”表示必测参数　测试条件：VS ＝± 15V ； TA ＝ 25 ＋ 2 ℃参 数 名 称符号单位规 范 值TD650A TD650B TD650S TD650F最小典型最大最小典型最大最小典型最大最小典型最大输出频率范围for MHz 0 1 0 1 0 1 0 1非线性度fmax=10KHz ERNL % 0.002 0.005 0.002 0.005 0.002 0.005 0.002 0.005=100KHz* % 0.005 0.02 0.005 0.02 0.005 0.02 0.005 0.02=500KHz % 0.02 0.05 0.02 0.05 0.02 0.05 0.02 0.05=1MHz % 0.1 0.07 0.1 0.07 0.1 0.1满度校准误差fmax=100KHz ERFC % ±5 ±5 ±5 ±5=1MHz % ± 10 ± 10 ± 10 ± 10满度温漂fmax=10KHz αTL ppm/ ℃ ± 75 ± 75 ± 75 ± 75=100KHz ppm/ ℃ ± 150 ± 150 ± 150 ± 150电源抑制比fmax=10KHzPSRR % ± 0.002 ± 0.002 ± 0.002 ± 0.002* 双极性失调电流4.5 端接1.24KΩIIO mA 0.45 0.5 0.55 0.45 0.5 0.55 0.45 0.5 0.55 0.4 0.5 0.65输入电压范围VICR V ± VS ± VS ± VS ± VS* 静态电流ID mA 8 8 8 8工作电压VS V ± 9 ± 18 ± 9 ± 18 ± 9 ± 18 ± 9 ± 18工作环境温度TA ℃ － 25 ＋ 85 － 25 ＋ 85 － 55 ＋ 125 － 55 ＋ 125贮存温度范围Tstg ℃ － 65 ＋ 150 － 65 ＋ 150 － 65 ＋ 150 － 65 ＋ 150.
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电压频率转换器设计与实现毕业论文-.doc39页
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本科生毕业论文 设计
目： 电压频率转换器设计与实现
学生姓名：
专业班级：
自动化10101班
指导教师：
完成时间：
电压频率转换器VFC（Voltage?Frequency?Converter）是一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。电压频率转换器也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。随电压―频率转换实际上是一种模拟量和数字量之间的转换技术。当模拟信号（电压或电流）转换为数字信号时，转换器的输出是一串频率正比于模拟信号幅值的矩形波，显然数据是串行的。这与目前通用的模数转换器并行输出不同，然而其分辨率却可以很高。串行输出的模数转换在数字控制系统中很有用，它可以把模拟量误差信号变成与之成正比的脉冲信号，以驱动步进式伺服机构用来精密控制。
设计高精度电压转换器，可以利用LM324运算放大器与555定时器为核心器件的高精度线性电压频率转换器。整个电路主要是由稳定电压源模块、信号输入模块、恒流源模块、输入信号变换模块、以555定时器为核心的压频转换模块等5个模块组成的。本设计方案温漂小、抗干扰能力强、价格便宜、线性度较好、而且变换精度高。
关键词：555定时器；线性；电压频率转
Voltage Frequency Converter VFC
Voltage Frequency Converter
is a kind of realizing the function of analog-to-digital conversion device, analog Voltage transform into pulse signal, the output pulse signal Frequency proportional to the size of the input Voltage. Voltage frequency conver
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DAC_ADC模数及数模转换器的发展综述15-3
一个较小的区域内，并将其转换成数字信号，这个数据；折叠插值型转换结构有四个功能：折叠、内插、均衡和；实际的折叠电路是由多个差分对构成的，并不能形成如；折叠插值转换方式的特点是：数据的两次量化是同时进；3.8过采样Σ△模数转换；过采样Σ△模数转换是近十几年发展起来的一种模数转；目前，∑-Δ型ADC分为四类：高速类ADC；调制；过采样Σ△模数转换的主要特点是：∑
　一个较小的区域内，并将其转换成数字信号，这个数据为整个数字量的低位数据。然后再找出输入信号被映射的区间，该区间也以数字量表示，这个数据为整个数字量的高位数据。高位和低位数据经过处理，得到最后的数字信号。图3就是一个8位的折叠型转换方式的信号处理的示意图。它将输入信号折叠成8个区间，用3位数字表示这8个区间。然后再将折叠后的信号转换成5位数字量。折叠插值型转换结构有四个功能：折叠、内插、均衡和校准。折叠对模拟输入信号进行处理，以将之映射或折叠成锯齿波，从而减少折叠所需的比较器数量。那就是说，一个折叠因数为3的8位ADC中，(256)/3或者85个比较器被输入电压范围内的三个段共享，因此每个比较器都对应三个连在一起的彼此极性相反的宽范围放大器的输出（如图）。 实际的折叠电路是由多个差分对构成的，并不能形成如图3所示的三角形折叠波，一般在最大值及最小值处较圆滑，造成较大的非线性误差，这可通过采用多个折叠电路的办法进行改进。如果数字量低位部分有5位，采用32个折叠电路，通过调节各个折叠电路的基准电压，使每个折叠区间产生32个过零点，然后把这32路折叠后的信号送入比较器，再经过编码，产生低位数据。但是32路折叠电路的电路规模较大，体现不出它的优势，所以通过插值的方法来产生相同的效果。仍以低位为5位量化为例，只采用4个折叠电路，那么每个折叠区间会有4个折叠波。再利用8个电阻分压产生的基准电压，调节这4个折叠电路，就可以得到另外的7组折叠波，同样可以产生32路折叠波。图4就是折叠插值转换方式的原理图。折叠插值转换方式的特点是：数据的两次量化是同时进行的，具有全并行转换的特点，速度较快；而且所需的比较器比快闪式模拟数字转换器少。内插式模拟数字转换器则只需极少量输入放大器，而且所需的输入电容也较低。管芯体积较小、功耗较低、而动态性能又很高，如这里的8位转换器只需40个比较器。折叠插值方式存在的问题是信号频率过高时，有所谓“气泡”现象产生，需要额外的处理电路；且当位数超过8位时，如要保持较少的比较器数目，折叠插值变得十分麻烦，所以一般只用于8位以下的转换器当中。 3.8 过采样Σ△模数转换过采样Σ△模数转换是近十几年发展起来的一种模数转换方式，目前在音频领域得到广泛的应用。它采用增量编码方式即根据前一量值与后一量值的差值的大小来进行量化编码。从某种意义上讲，它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。过采样∑-Δ型ADC包括模拟∑-Δ调制器以及连接其后的数字抽取滤波器。过采样∑-Δ调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号，即∑-Δ码，然后将这种∑-Δ码送给数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。由于∑-Δ具有极高的抽样速率，通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍，采样频率通常是信号最高频率的64～256倍，因此∑-Δ转换器又称为过抽样ADC转换器。这种类型的ADC采用了极低位的量化器，从而避免了制造高位转换器和高精度电阻网络的困难；另一方面，因为它采用了∑-Δ调制技术和数字抽取滤波，可以获得极高的分辨率；同时由于采用了低位量化输出的采用高分辨率的码，不会对抽样值幅度变化敏感，而且由于码位低，抽样与量化编码可以同时完成，几乎不花时间，因此不需要采样保持电路，这就使得采样系统的构成大为简化。这种增量调制型ADC实际上是以高速抽样率来抱取高位量化，即以速度来换精度。近年来，采用高分辨率的∑-Δ型ADC颇为流行，它的一个突出优点是在一片混合信号CMOS大规模集成电路上实现了ADC与数字信号处理技术的结合。这一技术的其它优点：分辨率高达24位；比积分型及压频变换型ADC的转换速率高；采用混合信号CMOS工艺，可实现低价格、高分辨率的数据采集和数字信号处理；由于采用高倍频过采样技术，降低了对传感器信号进行滤波的要求，实际上取消了信号调理。缺点：当高速转换时，需要高阶调制器；在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型ADC的功耗高。目前，∑-Δ型ADC分为四类：高速类ADC；调制解调器类ADC；编码器类ADC；传感器低频测量ADC。其中每一类∑-Δ型ADC又分为许多型号，给用户带来极大方便。过采样Σ△模数转换的主要特点是：∑-Δ调制器具有独特的噪声成型功能，能把大部分量化噪声移出基带，因而过采样Σ△ADC有着极高的精度，可达24位以上。由于采用了过采样调制、噪音成形和数字滤波等关键技巧，充分发扬了数字和模拟集成技术的长处，使用很少的模拟元件和高度复杂的数字信号处理电路达到高精度（16位以上）的目的；模拟电路仅占5％，大部分是数字电路，并且模拟电路对元件的匹配性要求不高，易于用CMOS技术实现。但Σ△转换方式的采样频率过高，不适合处理高频（如视频）信号，这虽可通过高阶的Σ△调制器来解决，但考虑到稳定性，一般只在3阶以下。优点：分辨率较高，高达24位；转换速率高，高于积分型和压频变换型ADC；价格低；内部利用高倍频过采样技术，实现了数字滤波，降低了对传感器信号进行滤波的要求，与DSP技术兼容，便于实现系统集成。缺点：高速∑-△型ADC的价格较高；在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型ADC的功耗高。 3.9 压频变换型ADC压频变换型ADC是间接型ADC，它先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数，计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量。从理论上讲，这种ADC的分辨率可以无限增加，只要采用时间长到满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度即可。优点：精度高、价格较低、功耗较低。缺点：类似于积分型ADC，其转换速率受到限制，12位时为100～300SPS。 4
模数转换技术及其发展趋势4.1
现在的高速模-数转换器有多快？管道结构、硅双极和CMOS工艺技术决定了商用高速转换器的采样频率在300Msamples/s以下，典型的分辨率范围在12到14位之间。300Msamples/s比起1Gsample/s来说速度差距非常大。相对较新的可以达到1Gsample/s的转换器都拥有8或者10位的分辨率，并在双极和CMOS技术中采用闪存或者折叠/内插式结构。目前转换器中速度最快的一种是一个双通道转换器，这个双通道转换器建于一个单芯片上，交叉存取速度可以达到3Gsamples/s。4.2
高速ADC的速度和分辨率之间是一个怎样的折衷关系？在测试器件中，更高的采样率让设计者们可在规定时间内测量更大范围的信号频率和更高的分辨率。而在通信中，更高的采样率可以让更大宽带的输入信号被数字化。另一方面，分辨率可转换为动态范围，8位的分辨率适用于示波器，因为它是和典型的显示分辨率相匹配的。相比之下，频谱分析仪需要更高的分辨率，因此会使用较慢的高速ADC。在通信中，速度非常快的8位转换器被用于卫星和微波点对点通信，因为在这些领域要求信号强度高度一致。而速度较慢但分辨率较高的ADC则被用于手机基站，来处理近距离和远距离信息源之间信号强度的偏差。4.3
结构如何影响速度？大部分速度没有低于1Gsample/s的高速转换器的管道结构中都有一些偏差，在这些结构中一部分连续采样是并列进行的。移位寄存器及时地集结各个阶段的位，并将组合的采样信号传递到纠错逻辑单元。速度高于1Gsample/s的一些转换器采用闪存结构，利用大的比较器阵列在一个步骤内转换采样信号。由于一个N位的闪存转换器要求2N-1个比较器，所以它们对功率的要求非常大，并占据很大的硅片面积。1993年问世但却没有大规模商品化的折叠/内插式架构则减少了所需比较器的数量，从而促成了CMOS实现数千兆赫速率的这一新的飞跃。4.4
为什么折叠依靠良好设计，折叠个”ADC（速率为最新的芯片带有一对交叉存取要达到这种速率也不是那么容易的。一致，而增益和偏移也不一定匹配。要保持可能的速度增益，就要求紧密抖动和扭曲校正，以及一定程度的片上增益、偏移和较时的校准。4.5
折叠/内插式结构是如何工作的？这个结构有四个功能：折叠、内插、处理，以将之映射或折叠成锯齿波，因数为3的8位此每个比较器都对应三个连在一起的彼此极性相反的宽范围放大器的输出（如图）。层叠阶段增加了折叠，中丢失的信息，额外的器和普通比较器是并行运行的，样，使得高速吞吐量成为了可能。通过内插，层叠的前置放大器阶段为每一个过允许不是输入产生的交叉点横跨参考电压，和校准均衡减弱了器件噪音和偏移的影响，近的输出迭生。与闪存结构相比，折叠对器件的偏移更敏感，而配。解决方法就是校准这些前置放大器的偏移。准路径中包括追踪及保存信道间的采样光孔偏移，他们则通过采用一个通用采样时钟来处理。/内插式结构的速度如此之快？
/内插式结构ADC的速率达到了800Msamples/s。不仅如此，“单1和1.5Gsamples/s）实际上是一个普通芯片上的交叉存取的双通道器件。ADC，并且自身交叉存取速度达到2和3Gsamples/s。
交叉存取通常会影响性能，因为交叉器件的较时不
均衡(averaging)和校准。折叠对模拟输入信号进行从而减少折叠所需的比较器数量。那就是说，一个折叠ADC中，(28?C1)/3或者85个比较器被输入电压范围内的三个段共享，因
并进一步减少了需要的比较器的数量。为恢复这些在映射或折叠“粗调”比较器被用来隔离这些输入信号所在的折叠层。由于粗调比较也就没有了判定反馈环路，从而就如在其它非闪存结构中那
“带电的”交叉点产生多重“虚拟”交叉点。通内插可减少需要那岸朔糯笃鞯氖俊?p&均衡包括由折叠产生的偏移。每一个放大器的输出由邻CMOS对则比双极更难匹芯片设计者通过共享同样的输入缓冲和在校(track-and-hold)，来匹配交叉存取的信道的增益和偏移。而至于5 高速ADC转换器的选择 模数转换器是连接模拟和数字世界的一个重要接口。ADC转换器将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作。ADC转换器的选择是至关重要的。所选择的ADC转换器应能确保模拟信号在数字位流中被准确地表示，并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口，这一点很重要。目前的高速ADC转换器已被应用于各种仪表、成像以及通信领域中。对用户而言，所有这些应用都有着相似的要求，即以较低的价格实现更高的性能。在选择高速ADC转换器时，设计师必须考虑下面几个因素：● 终端系统的要求● 成本● 分辨率或精度● 速度● 性能对终端系统要求的清晰了解将简化ADC转换器的选择过程。在某些场合，它可以把所需考虑的选择参数限制为屈指可数的几个。例如，很多超声波应用采用的是每个通道需要一个ADC的数字光束成形系统。对于一个具有多达256个通道的系统而言，具有多通道和低功耗的ADC转换器是一个合适的选择。对于8进制ADC转换器来说，超声波应用是主要的终端应用。位于ADC之后的DSP或ASIC所使用的电源电压也是必需加以考虑的。越来越多的高速ADC将采用3V、2.5V和1.8V的工作电源。价格是始终需要考虑的因素。如今的转换器设计师正在制作性价比更为优越的ADC。5.1 速度与分辨率的关系目前的高速ADC最初是按速度和分辨率进行分类的。转换器的速度是指ADC能够进行转换的取样速率或每秒的取样数量。对于高速ADC来说，速度以百万取样每秒(Msps)为计量单位。包含各类专业文献、幼儿教育、小学教育、文学作品欣赏、生活休闲娱乐、各类资格考试、外语学习资料、行业资料、应用写作文书、高等教育、中学教育、专业论文、DAC_ADC模数及数模转换器的发展综述15等内容。　
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