1　引言
　　在許多遙測、遙控和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用場合，把模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率是十分有利的，因為頻率信號可以比模擬電壓或電流信號更為精確地傳輸和解碼，或者記錄下來。另一個主要應(yīng)用領(lǐng)域是進(jìn)行信號隔離，這時可先將模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然后通過光學(xué)隔離進(jìn)行耦合，經(jīng)由f/v轉(zhuǎn)換器回復(fù)成電壓，由此可以實現(xiàn)在系統(tǒng)的輸入和輸出之間實現(xiàn)近乎理想的隔離。
本文首先介紹了高壓信號實時檢測裝置的各個組成部分的工作原理及其應(yīng)用電路:v/f原理和v/f轉(zhuǎn)換電路、f/v轉(zhuǎn)換原理和f/v轉(zhuǎn)換電路、光纖發(fā)送器和接收器原理及其應(yīng)用電路;然后還詳細(xì)介紹了vfc110的外圍電路設(shè)計方法，分析出在高頻電路應(yīng)用中應(yīng)該注意的事項。

2　高壓信號實時檢測系統(tǒng)的原理
　　在高壓控制系統(tǒng)中，由于控制回路中至少要實現(xiàn)6.6kv的電壓隔離，這在解決既要隔離又要耦合這個問題的過程中，就出現(xiàn)了各種不同的耦合技術(shù)和隔離技術(shù)，最常用的是光電耦合技術(shù)、變壓器磁耦合技術(shù)。與光電耦合技術(shù)相比較，變壓器耦合技術(shù)缺點(diǎn)是加工起來比較麻煩，一致性差。所以本文利用光電耦合技術(shù)進(jìn)行信號傳輸，利用光纖實現(xiàn)電壓隔離，這樣不僅提高了系統(tǒng)的抗干擾性，而且使電路簡單。
　　如果利用光纖實現(xiàn)電壓隔離并進(jìn)行信號傳輸，就遇到了如何將傳感器所測量到的連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號問題。a/d轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或設(shè)備，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計算機(jī)之間的接口。a/d轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法有多種，用不同方法實現(xiàn)的a/d轉(zhuǎn)換器具有不同的特性。由于采用光纖實現(xiàn)電壓隔離，所以采用v/f，f/v轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)對電壓信號的轉(zhuǎn)換。采用v/f式adc具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)由于應(yīng)用了積分電容，具有很好的抗干擾性。
(2)具有良好的線性度和分辨率。
(3)電路結(jié)構(gòu)簡單，對外界電容要求也簡單，僅要求保持良好的穩(wěn)定性。
(4)便于遠(yuǎn)距離傳輸。它可調(diào)制成光脈沖，可用光纖傳送，不受電磁干擾。
　　高壓信號實時檢測系統(tǒng)電壓信號轉(zhuǎn)換流程圖如圖1。

圖1　高壓信號實時檢測系統(tǒng)電壓信號轉(zhuǎn)換流程圖

　　圖1中阻容分壓器為高壓信號實時檢測系統(tǒng)傳感器，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)成為能滿足v/f轉(zhuǎn)換器輸入要求的大電壓信號。v/f轉(zhuǎn)換器把這些模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號，經(jīng)光纖發(fā)送端把頻率信號轉(zhuǎn)換成光脈沖通過光纖進(jìn)行傳輸，然后再通過光纖接收端把光脈沖還原成頻率信號，再將頻率信號送入f/v轉(zhuǎn)換器將頻率信號還原成相應(yīng)的電壓信號，最后與預(yù)置電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果決定回路的工作狀態(tài)。
(1)v/f轉(zhuǎn)換原理

圖2　v/f轉(zhuǎn)換原理

　　典型的電荷平衡式v/f轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，a1和rc組成一積分器。a2為過零比較器，ir恒流源與模擬開關(guān)s提供積分器以反充電回路。每當(dāng)單穩(wěn)態(tài)定時器受觸發(fā)而產(chǎn)生一to脈沖時，模擬開關(guān)s接通積分器的反充電回路，使積分電容c充入一定量的電荷qc＝ir to。
　　整個電路可視為一個振蕩頻率受輸入電壓vin控制的多諧振蕩器。其工作原理如下:當(dāng)積分器的輸出電壓vint下降到零伏時，零電壓比較器發(fā)生跳變，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)定時器，使之產(chǎn)生一個to寬度的脈沖，使s導(dǎo)通to時間。由于電路設(shè)計成ir>vinmax/r，因此，在to期間積分器一定以反充電為主，使vint上升到某一正電壓。to結(jié)束時，由于只有正的輸入電壓vin作用，使積分器負(fù)積充電，輸出電壓vint沿斜線下降，當(dāng)vint下降到0v時，比較器翻轉(zhuǎn)，又使單穩(wěn)態(tài)定時器產(chǎn)生一個to脈沖，再次反充電，如此反復(fù)進(jìn)行下去振蕩不止。于是積分器輸出端和單穩(wěn)態(tài)定時器輸出端產(chǎn)生了如圖3所示波形。

圖3　積分器輸出端和單穩(wěn)態(tài)定時器輸出波形

　　根據(jù)反充電電荷量與充電電荷量相等的電荷平衡原理，可以得出:

　　因此，輸出振蕩頻率即輸出電壓頻率fout與輸入模擬電壓vin成正比。顯然，要精確的實現(xiàn)v/f轉(zhuǎn)換，要求ir、r及to必須準(zhǔn)確而穩(wěn)定。一般選積分電阻r作為調(diào)整刻度系數(shù)的環(huán)節(jié)，以滿足v/f標(biāo)稱傳遞關(guān)系。
(2)f/v轉(zhuǎn)換原理

　　通常沒有專門用于f/v轉(zhuǎn)換集成器件，而是使用v/f轉(zhuǎn)換器在特定的外接電路下構(gòu)成v/f轉(zhuǎn)換電路。一般的v/f集成器都具有f/v轉(zhuǎn)換功能。圖4為f/v轉(zhuǎn)換原理圖。其轉(zhuǎn)換原理同v/f轉(zhuǎn)換一樣也是利用電荷平衡原理實現(xiàn)的。輸入頻率fin的下降沿使過零比較器翻轉(zhuǎn)輸出一上升沿，該上升沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)定時器，使其產(chǎn)生一定寬度的脈沖信號to(該脈沖信號的脈寬是由外界電容c1決定的)，在此單穩(wěn)態(tài)脈寬期間，開關(guān)s1將與積分器接通，ir通過s1向c2充電，在某一固定周期時間t內(nèi)，根據(jù)電荷平衡原理，有公式成立?！鱱為電容c2的電壓增量。由于設(shè)計時ir>voutmax/r1，所以在to期間ir充電為主。當(dāng)頻率一定時，由于ir、to、t、r1、c2都為定值，則vout在不斷增大，由公式可知△u的值會越來越小，直到最終為零。經(jīng)過一定時間后使

。因此可得，由此可知輸出電壓vout與輸入頻率fin成正比。
　　當(dāng)頻率升高時，周期t就會減小，使不再平衡，△u以正電壓的形式重新出現(xiàn)，△u的出現(xiàn)將促使vout在不斷增加，最終達(dá)到與輸入頻率fin成正比。當(dāng)頻率降低時，周期t就會增大，也使不再平衡，△u以負(fù)電壓的形式重新出現(xiàn)，電容c2的電壓在不斷減小，促使vout在不斷減小，最終達(dá)到與輸入頻率fin成正比。

圖4　f/v轉(zhuǎn)換原理

　　顯然，要精確的實現(xiàn)f/v轉(zhuǎn)換，要求ir、r1及to必須準(zhǔn)確而穩(wěn)定，一般選積分電阻r1作為調(diào)整刻度系數(shù)的環(huán)節(jié)，以滿足f/v標(biāo)稱傳遞關(guān)系。

3　vfc110內(nèi)部電路及其工作原理
3.1　vfc110簡介及其外圍器件的選擇
　　目前，有很多v/f集成電路芯片，有analog devices(美)公司的advfc32、ad537、ad578、ad650、ad651、national semiconductor公司的lm131、lm231、lm331，burr-brow(美)公司的vfc32、vfc42/52、vfc62、vfc100、vfc320、vfc110等以及exar(美)公司的xr4151。
經(jīng)過分析比較，選擇burr-brow公司生產(chǎn)的第三代vfc110作為v/f轉(zhuǎn)換的核心元件。它具有以下特性:
(1)具有v/f、f/v轉(zhuǎn)換功能;
(2)轉(zhuǎn)換范圍大，可將0－10v的電壓信號轉(zhuǎn)換為0－4mhz的脈沖信號，要實現(xiàn)實時測量，就要求轉(zhuǎn)換的脈沖頻率較高;
(3)非線性誤差低:2mhz時的非線性誤差為±0.02%;
(4)內(nèi)部提供5v;
(5)高精度的參考電壓，可用于vfc電壓的偏移;
(6)低通濾波，可以濾除系統(tǒng)通道帶來的串行干擾，從而測量值更加準(zhǔn)確;
(7)雙電源供電:±15v。

圖5　vfc110內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　vfc110內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5，由圖5可知，它主要由一個帶有輸入電阻和電容的積分器、過零比較器、單穩(wěn)態(tài)定時器、高精度5v參考電壓等組成。此元件在不外接任何元件的情況下，在引腳2輸入0到10v電壓時，其最大輸出頻率是4mhz。當(dāng)滿刻度頻率是2mhz、1mhz、500khz等時，需要在引腳1和引腳12之間接入積分電容cint，在引腳1端接入積分電阻rin，在引腳6外接電容cos以調(diào)整單穩(wěn)態(tài)定時器的定時時間。
　　根據(jù)電荷平衡公式建立反推表來得到對應(yīng)的外圍電容，電阻搭配。見表1、2。

表1　vfc110芯片內(nèi)部參數(shù)推導(dǎo)表

表2　不同滿刻度頻率時vfc110外圍器件搭配表

　　注釋:(1)*表示不需外接元件，利用芯片本身的固有元件即可?！　?BR>(2)對于cint的取值不是一定要求很嚴(yán)格。
3.2　v/f轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)

圖6　v/f轉(zhuǎn)換電路

　　v/f轉(zhuǎn)換電路如圖6，圖中外接元件類型的選擇十分重要，一定要選擇低溫漂、感性小的元件。尤其是關(guān)鍵器件r1、wr1、cos的選擇一定要注意。同時，各元件之間的引線盡可能的短，以減小寄生元件的影響。
3.3　f/v轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)
　　f/v轉(zhuǎn)換電路如圖7，圖9中外接元件類型的選擇和引線連接要求同v/f轉(zhuǎn)換電路，引線一定要合理布置，盡可能的短，r5、r6、r7、r8、wr2、cos、和c6一定要選擇低溫漂、感性小的元件。

圖7　f/v轉(zhuǎn)換電路

　　在此電路中，f/v轉(zhuǎn)換的積分輸出端增加了一個由r8、wr2和c6組成的輸出濾波電路。在v/f轉(zhuǎn)換到f/v轉(zhuǎn)換的整個過程中，線路延時時間產(chǎn)生的主要原因之一就是由于f/v轉(zhuǎn)換過程中輸出濾波器的時間常數(shù)τ＝rc造成的。對于濾波器而言，要想使一個有波動的信號進(jìn)行濾波得到一個較平滑的波形，總有一個最小的時間常數(shù)τ＝rc使輸出波形比較滿意，如果再進(jìn)一步降低τ值，則輸出波形變的較差，由于f＝1/2πrc，隨著最大滿刻度頻率的提高，要想得到同樣滿意的輸出波形(例如紋波較少、較平滑)，可極大的縮小時間常數(shù)τ值，從而得到較小的延時時間、提高響應(yīng)速度。因此，最大滿刻度頻率與延時時間之間存在的關(guān)系是:最大滿刻度頻率的提高可以縮短延時時間。實驗得出最大滿刻度頻率100khz時，延時200μs;最大滿刻度2mhz時，延時10μs。
3.4 光纖發(fā)送器和接收器
　　光纖發(fā)送和接收器件是agilent公司生產(chǎn)的hfbr-0501系列器件中的hfbr-1521和hfbr-2521。hfbr-0501系列器件包括發(fā)送器、接收器、連接器和與每一設(shè)計對應(yīng)的光纜。光纖發(fā)送、接收電路如圖8所示。

圖8　光纖發(fā)送和接收電路

表3　2mhz時高壓信號實時檢測結(jié)果

4　實驗結(jié)果
　　在連接光纖長度為6m，輸入電壓信號為0～8v，滿刻度轉(zhuǎn)換頻率為2mhz、輸入信號頻率為10khz的三角波時的檢測結(jié)果，由表3可知其最大轉(zhuǎn)換控制在3％以內(nèi)，達(dá)到了預(yù)定的試驗?zāi)康?。在此試驗中，信號從電壓輸入端到電壓輸出端總共延時6μs，其響應(yīng)速度有了很大的提高。
對于此高壓信號實時檢測，其輸入信號頻率可進(jìn)一步提高到20khz，其最大轉(zhuǎn)換頻率可提高到4mhz，但其轉(zhuǎn)換波形不是令人很滿意。

5　結(jié)束語
　　對于同一輸入電壓范圍(例如0－10v的輸入電壓)，要使v/f轉(zhuǎn)換滿足不同的最大滿刻度頻率輸出，需使vin/fout滿足不同滿刻度頻率情況下的線性關(guān)系，即vin/fout為不同的常數(shù)。
　　在實際工程應(yīng)用中，由于元器件自身精度的制約和線路寄生參數(shù)的影響，并不能使v/f轉(zhuǎn)換的線性度達(dá)到理想值，而是存在著一定的偏差。尤其是在高頻電路中，線路寄生參數(shù)的影響更是不能忽視，它甚至是影響整個電路成敗的關(guān)鍵。因此，在高頻電路設(shè)計中，元器件類型的選擇和線路板的布置十分重要。