集成電路課程設計-vfc同步電壓-頻率轉換器原理及應用

1、<p>　　集成電路原理及應用課程設計報告</p><p>　　題 目 VFC同步電壓-頻率轉換器原理及應用 </p><p>　　授課教師 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　專

2、 業(yè) 電子信息工程 </p><p>　　VFC同步電壓--頻率轉換器原理及應用</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電壓／頻率變換電路（Voltage Frequency Converter）簡稱為U／F變換電路或U／F變換器（UFC），頻率／電壓變換電路簡稱為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、自動控制、數字儀表、通訊設各、調頻、鎖相和模數變換等很多領域得到了廣泛的應用。由于U／F和F／U變換器不需要同步時鐘，所以在與微機連接時電路簡單。模擬電壓變化轉變成頻率變換以后，其抗干擾的能力增強了，因此尤其適用于遠控系統(tǒng)、干擾較大的場合和遠間隔傳輸等方面。U／F變換器和F／U變換器有模塊式結構和單片集成式兩種。典型的變換方法有4種：積分恢復型、電壓反饋型、交替積分型和恒流開關

4、型。單片集成的U／F和F／U變換器常采用恒流開關型，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，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設計成兩種獨立的模塊。其優(yōu)點是外圍元仵少，一般只有調零和調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是一片功能很強的電壓／頻率轉換器，采用電荷平衡技術，嚴格的復位組合周期取自外部時鐘頻率，能較好地消除誤差及其他轉換器所要求的外部定時元件的漂移。它還采用高精度輸入電阻來設置全刻度輸入電壓，在許多應用中無需外部調整就可獲得所要求的精度。外加同步頻率可設置滿量程頻率輸出，10V滿量程輸人電壓由精密電阻提供。單穩(wěn)輸出電路對優(yōu)化輸出脈沖寬度很有用，

6、特別用在光學耦合和隔離電壓傳送中。精準的5V基準電壓可用于雙極性輸入偏置、激勵電橋和傳感器以及自動校準系統(tǒng)。因不需外調整，所以外圍元件很少。采用集電極開路輸出，低有效集電極開路輸出給予非?？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變換器廣泛應用于自動控制、數據采集、電壓隔離、模數轉換等方面。</p><p>　　第二章 VFC100電壓-頻率轉換器功能簡介</p&g

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

8、不超過0.02％，在1MHz時，不超過0.1％。</p><p>　　5.具有低的增益漂移：不超過5010-6 /ºC 。</p><p><b>　　二、應用范圍：</b></p><p>　　A/D轉換 2.過程控制 3.數據采集 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 封裝結構,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，為數字地。</p><p>　　13腳：AGND，為模擬地。 </p><p>　　14腳、15腳：-CIN、+CIN，內部比較器輸入端。</p><p&g

12、t;　　16腳：VREF，為內部5V參考電壓輸出端。</p><p>　　四、內部結構及基本接法：</p><p>　　圖2 VFC100的內部結構圖及U/F變換模式的基本接法</p><p>　　圖3 U/F變換模式時的變換波形圖</p><p>　　圖2為VFC100的內部結構圖及變換時的基本接。它的內部由積分器、比較器、定時邏輯、

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

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

15、沖。</p><p>　　在這里，積分電容不重要，因為恢復時間由外部時鐘周期確定。</p><p>　　當輸入信號的負向積分電壓低于比較器門限時，負向積分繼續(xù)進行，直到恢復周期開始（等待需要的轉換時鐘）。輸出脈沖由外部時鐘上升沿同步，這將導致瞬時輸出中包含時鐘頻率的子諧波，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

16、生的標準輸出頻率等于時鐘頻率的一半，即：</p><p><b>　　=== </b></p><p>　　注意：輸入電壓超過10V后，頻率不再增加。</p><p>　　與傳遞函數無關，其絕對精度不重要，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。</p><p>　　要求積分電壓正負擺動范圍關于比較器門限電壓近似對稱，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基本應用簡介</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. 失調與增益調整電路</p><p>　　如圖7所示，失調與增益調整電路中，RP2 的作用是對失調電壓進行細調，RP1的作用是對增益進行細調。</p><p>　　圖7 失調與增益調整電路</p><p><b>　　第四章 應用設計</b></p><p>

21、;<b>　　1.數控頻率電</b></p><p>　　圖8 數控頻率電路</p><p>　　數控頻率電路(VFC100雙極性輸入接法)由D /A轉換器(DAC0808) 、運算放大器(CF725) 、基準電壓(MC1403) 、V /F轉換器(VFC100)等組成。DAC0808是T形R - 2R電阻網絡8位D /A轉換器,可受CPU或其他數字電路控制,該

22、D /A轉換器采用雙極性輸出形式,通過運算放大器轉換成輸出電壓 ,其中參考電壓由MC1403提供。根據D /A轉換器和運算放大器的特性,輸出電壓如下:</p><p>　　=-×{++……}=-×</p><p>　　式中:D7～D0是二進制“1”或“0”; R4可根據輸出電壓峰值的大小決定。當數字量輸入為00H,調節(jié) ,使輸出電壓 = - 5V;當數字量輸入為80H,

23、調節(jié)運算放大器零電位,使輸出電壓 = 0V;當數字量輸入為FFH,調節(jié)Rw1使輸出電壓= 5V。通過運算放大器輸出電壓 ( - 5V～5V)變化,控制VFC100轉換器(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 結論</b></p><p>　　本文介

24、紹了電壓- 頻率轉換器VFC100集成電路,通過二個實際應用電路得出結論, VFC100集成轉換器連接簡單、性能穩(wěn)定、功能強大,在工業(yè)控制、智能控制及過程控制中必將得到廣泛地應用。通過這次課程設計，對VFC100有了更深刻的認識，對VFC100的功能特性有了更深的了解。在課程設計的過程中，遇到了很多自己不懂的問題，這時自己通過各種方法查閱各種文獻，資料，鍛煉了自己的搜集資料的能力?？傊?，這次課程設計使我學到了不少東西，</p>

25、;<p><b>　　參考文獻:</b></p><p>　　[ 1 ] 潭博學,苗匯靜. 集成電路原理及應用[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:西安電子科技大學出版社, 1998.</p><p>　　[ 3 ] 張國雄. 測控電路[M ]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2008.&l