压频转换器

问：应该怎样远距离传输模拟信号而又不损失精度?

答：对这个常见问题的最好解决方法是使用压频转换器(VFC)以频率形式传输模拟信号。VFC是一种输出频率与输入信号成正比的电路。通过光电隔离器、光纤链路、双绞线或同轴电缆和无线电链路在远距离传输线路上传输频率信号使其不受干扰这是相当容易的，如图2.1所示。

图2.1 应用VFC远距离传输模拟信号框图

如果要求传输的信息一定是数字量，那么只要把接收器做成为一个频率计数器，利用单片机很容易实现。通过频压转换器(FVC)可以把频率转换成模拟电压，一般VFC经过适当接线都具有反转换，即FVC的功能，常用于锁相环。

问：VFC 如何工作?

答：VFC 有两种常用类型：多谐振荡器式(如AD537)和电荷平衡式(如AD650)，见图22。
(a) 多谐振荡器式VFC
(b)电荷平衡式VFC

图22 两种类型VFC的电路结构

图23 电荷平衡式VFC的积分器输出波形

多谐振荡器式VFC把输入电压转换成电流，电流要对电容器进行充电，然后通过比较器和触发电路对电容器放电。用稳定的基准设置切换阈值电压，具有单位传号空号比(markspace ratio，简称MS)的输出频率与输入信号成正比。

电荷平衡式VFC由一个积分器、比较器和精密电荷源组成。将输入信号加到积分器充电 。当积分器输出电压达到比较器的阈值电压时，电荷源被触发并且有固定的电荷从该积分器中被迁移。电荷放电的速率一定与被施加的电压相一致，因此电荷源被触发的频率与积分器的输入电压成正比，见图23。

问：这两种类型的VFC的优缺点如何?

答：多谐振荡器式VFC简单、便宜、功耗低而且具有单位MS输出(与某些传输介质 连接非常方便)。其缺点是精度低于电荷平衡式VFC，而且不能对负输入信号积分。

电荷平衡式VFC比较精确，而且负输入信号也能对输出有贡献。它的缺点是对电源要求较高，(输入端通常都是运放的反相输入端)具有低的输入阻抗，其输出波形为脉冲串而不是单位MS方波。

问：在VFC中最重要的误差有哪些?
答：在大多数精密VFC中有三种误差：失调误差、增益误差和线性误差，而且它们都随温度变化。对于大多数的精密电路其失调误差和增益误差都可由用户调整，但是线性误差则不能调整。然而(如果外接电容选择适当，待后面介绍)，VFC的线性误差在一般情况下都是相当好的。

问：如何调整VFC的增益和失调?
答：从原理上来讲，首先应该在零频率调整失调，然后在满度(FS)调整增益。但是实际上，在确认“零频率”时会出现问题，因为VFC在此状态时根本不振荡 。因此用一个小的输入信号(如0～１％FS)来调整失调，从而调到一个标称频率，接着在满度调整增益， 然后重复上述步骤调整一、二次。
例如，假设所用的VFC在10 V输入时，FS输出为100 kHz。理想情况下，10 V输入应该给 出100 k Hz输出，而10 mV输入应该给出100 Hz输出。所以失调应加10 mV输入调整到100 Hz输出。然 后在10 V输入条件下调整到100 kHz输出。但是由于增益误差对10 mV失调调整稍有影响，因 此，为了减小剩余误差必须重复上述调整过程。
如果使用VFC时带有软件校准，通常引入一个精密的失调电压，以便确定VFC在“零输入 ”时对应的频率。用微机测量在0 V和FS输入时的VFC输出，计算失调电压和增益比例因子。 必要时也可减少增益以便使VFC不超过其最大额定频率，见图24。

图24 VFC的增益与失调调整

问：当使用VFC时，需要什么样的电路保护措施?

答：除了精密模拟电路常用的保护措施(接地、去耦、电流路径选择、噪声隔离等 )以外，使用VFC主要的防护措施是选择电容器以及对输入和输出电路进行分离。

精密VFC所用的关键电容器(多谐振荡器式VFC用的定时电容器和电荷平衡式VFC用的单稳定时电容器)都必须随温度变化保持稳定。另外，如果电容器有介质吸收，那么VFC会产生线性误差并且使建立时间变坏。

如果电容器被充电、放电，然后开路，此时电容器可能恢复一些电荷，这种效应称作介 质吸收(DA)。使用这种电容器，会降低VFC或采样保持放大器(SHA)的精度。因此VF C和SHA都应该使用聚四氟乙烯或聚丙烯电容器或者使用低DA的零温度系数陶瓷电容器。

VFC的输入与输出之间的耦合也会影响其线性误差。为了防止出现问题，还应遵守去耦规 则和常用的布线防护措施。在使用光电耦合时应特别小心，因为它需要大电流驱动(10～30 mA)。

问：如何构成频压转换器(FVC)?

答：有两种常用方法：一种方法是输入频率触发电荷平衡式VFC的单稳电路，用一只电阻器与其积分电容器相并联；第二种方法是，将输入频率加到锁相环(PLL)的相频比较器上。使用任何一种类型的VFC都可作为PLL的振荡器。第一种方法的基本原理图如图25所示 。

图25 用VFC构成FVC
在每个输入频率周期，电荷ΔQ传送到R与C构成的漏泄积分器。当达到平衡时，在每个 周期内都有等量的电荷必须泄漏掉。对于输入频率f，对应的周期T(=1/f)，电荷以I=V/R平 均速率泄漏，因此V=ΔQ·f·R。

虽然这个平均电压与电容C无关，但输出脉动却与C成反比。峰峰脉动电压ΔV 由公 式ΔV=ΔQ/C决定。这表明脉动电压与频率无关(假设与输入周期有关的短时间内传送电荷Q) 。这种类型的FVC的建立时间由指数时间常数RC决定，根据RC可以计算出规定误差范 围内的建立时间。

从上述公式可以看出，这种类型的FVC具有相互依赖的关系，所以不可能使其脉动电压和建 立时间都能独立地达到最佳。为了解决这个问题，我们必须使用锁相环(PLL)，见图26。

图26 基本锁相环框图
图26所示的PLL式FVC仅有一点不同于其它的PLL：常规PLL的压控振荡器(VCO)都是单片 结构，但不要求线性度，所以这里用带有线性控制的VFC来取代VCO。在伺服系统中，负反馈 保 持VFC的输出频率等于其输入频率。FVC的输出电压，即VFC的输入电压，与其输入频率成精 确的比例关系。

有关PLL系统的设计已超出本章的讨论范围，但如果使用4000系列CMOS PLL，4046，仅 作为一个相位检测器(因为4046中的VCO传递函数的线性度不太理想)，可用AD654 VFC作为VC O按图27所示

图27 使用AD654作为VCO构成的锁相环
接成FVC。

问：什么是同步VFC?
答：同步VFC是指线性度和稳定性都经过改进的一种电荷平衡式VFC。由外部时钟 驱动的双稳电路取代了原来的单稳电路。精密电流向积分器放电所用的固定时间等于外部时 钟的一个时钟周期。
SVFC的其它优点是，当积分器输入电压达到比较器的阈值电压时(不是关键速率)并不开 始放电，而是在下一个时钟周期开始放电。SVFC输出与时钟同步，所以它很容易与计数器、 微处理器 等数字器件连接。SVFC用于多通道系统是非常有用的，它可以消除多个非同步频率之间的相 互干扰问题。
SVFC有两个缺点。因为输出脉冲与时钟同步，所以脉冲间隔不等并且抖动很大。这对于 把SVFC用作模数转换器的用户没有影响，但对于用作精密振荡器的用户却有影响。另外， 时钟对比较器的电容耦合，当SVFC在2/3或1/2 FS处会产生注入锁相效应(injectionlock effects)，在其输出频率的响应 范围内产生一个很小的(1 MHz时钟，18位分辨率会有4～6位)死区。布线或结构设计不合理 会使这种效应变坏。
尽管存在上述问题，由于取代定时单稳电路改进了SVFC性能，使其成为高分辨率VFC主 要应用中的理想器件。

问：可以实现同步FVC吗?
答：可以，而且具有很好的性能。最好使用可接成FVC的SVFC，而且时钟对这两种 传输路径的两端可以公用。如果对同步FVC的输入信号与时钟的相位不同，那么会产生严重 的时序问题。这种情况只能利用外部逻辑(两个D触发器)来建立正确的相位关系。