一种非线性频-压转换电压输出的最优设计

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1、一种非线性频/压转换电压输出的最优设计摘要通过本文提供的电路设计分析，实现用最少的电子元器件输出非线性电压。该设计适用于非线性频/压转换电压输出的系统。在保证信号转换精度的前提下，使产品小型化并提高了任务可靠性，降低了生产成本。在航空航天领域，有着较为广泛的应用。【关键词】非线性频/压转换小型化高可靠性1引百目前市场上频/压转换电压输出均为线性输出，即电压输出在OHz〜flHz范围内随频率线性变化；但在实际工程应用中需要分段电压输出，特别是在航空航天领域，应用更为广泛。其要求电压输出在频率OHz〜fOHz为固定值Vb，在频率fOHz〜flHz为随频率线性变化。如某型

2、发动机需要将转速为1000r/min〜3000r/min（对应的频率为50Hz〜2000Hz）的信号经电路转换后输出在0.5VDC到5VDC，线性变化，且要求当转速小于1000r/min（对应的频率为50Hz）时，输出0.5VDC恒定电压。其输出转换电压具有明显的非线性特性，实质为分段函数。由于市场上的频/压转换电路的输入输出关系为线性，要实现该功能，若通过模拟电路实现需要额外增加比较器、模拟开关、基准源、加减法器等多种器件，不利于系统的小型化和高可靠性，同时增加了生产成本。2需求分析在频率小于50Hz时为0.5V，频率处于50Hz〜2000Hz区间时为一元线性函数

3、。转换电压输出与输入转速信号频率的关系如图1所示。集成电路AD650作为频/压转换电路时输出转换电压与输入频率信号的关系为经过原点的一元线性函数，结合单端供电的集成运放芯片在输出电压为负值时只能输出0V电压的特性，可以通过将AD650输出的频率转换电压，经过双运放集成电路GF158作两次输出电压的平移，达到设计要求的目的。由图1可知，输出转换电压具有明显的非线性特性，其实质为分段函数。由于频/压转换电路的输入输出关系具有良好的线性特性，若通过模拟电路实现需要额外增加比较器、模拟开关、基准源、加减法器等多种元器件。3设计与实现3.1设计原理按上述要求，其输出电压曲线如

4、图2中曲线a所示，而F/V转换电路的线性输出特性如直线b所示，为满足曲线a的要求，通过线性输出电压平移得到解决方案。将直线b向下平移Vpy，Vpy值为：需要的频率拐点值fOHz对应的转换电压信号Vt值，得到曲线c，再将曲线c向上平移Vb，Vb值为：最终的输出电压信号Vout在频率为0Hz〜fOHz时的定值，通过以上两次曲线的平移，即可得所需曲线a。依据上述的设计思想，可得非线性频/压转换电压输出系统的原理框图如图3所示。3.2调理电路的设计信号调理电路用于将频率信号转换调理成同频率的规则的方波信号，并经过微分电路环节将每个周期内有效的频率信号转化成脉冲信号，用于驱动

5、后续的F/V转换电路工作。比较器配以适当阻值的电阻可以构成需要的滞回比较电路，在比较器的正负输入端加一个双向稳压管可以避免较大电压输入信号的冲击，保证信号调理电路的稳定性。3.3F/V转换电路的设计F/V转换电路用于对脉冲信号进行频率与电压的转换，其F/V转换电路芯片利用电荷泵原理，配合外接的RC电路，对每一个到来的脉冲信号，输出一定的电荷量至转换电容，随着输入信号频率的不同，最后输出的F/V转换电压正比于单位时间内电容得到充电次数。AD650具有很好的输出线性特性，输入信号频率小于10kHz时线性度典型值在2PPM内，输入信号频率小于100kHz时线性度典型值在5

6、PPM内，输入信号频率小于1MHz时线性度典型值在70PPM内。3.4基准电压电路的设计基准电压电路用于产生电压偏移量信号Vb和平移电压信号Vpy，可以通过AD584芯片来搭建，电压偏移量信号Vb和平移电压信号Vpy作为加减法电路的主要输入信号，对最终的频/压转换质量有重大影响。Vpy值为需要的频率拐点值fO对应的转换电压信号Vt值，Vb值为最终的输出电压信号Vo在频率为0〜fO时的固定值。3.5加减法电路的设计加减法电路用于将转换电压信号Vt先与平移电压信号Vpy作减法运算，然后将运算结果与电压偏移量信号Vb作加法运算，得到最终的输出电压信号Vo输出给后续采集系统

7、。为了进一步减少电路板的布局面积，采用甘肃天水七四九厂的GH58双运放集成电路，正好可以实现两次平移需要的加减法操作，而且该芯片在单电源+15V供电情况下最大失调电压不超过±7mV，输入失调电压温漂典型值为7?V/°C,输出最大驱动电流不小于26mA,满足一般系统设计要求中关于驱动能力的要求。4结束语本文论述了在单块印制板布局空间极其有限的情况下，从简化设计的角度，实现了非线性频/压转换电压输出的最优设计。通过调整不同的平移电压信号Vpy和电压偏移量信号Vb值，得到不同的非线性频/压转换电压输出，满足不同领域的需要，用最少的器件实现转换功能且精度不变，提高了产品