模擬電路的設(shè)計(jì) 電壓頻率轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)典的LM331是一個(gè)很好的學(xué)習(xí)工具，當(dāng)它涉及到電壓到頻率的轉(zhuǎn)換時(shí)——這是模擬設(shè)計(jì)的主要支柱之一。

鮑勃·皮斯特別喜歡電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路。如果你想測(cè)量一個(gè)遠(yuǎn)程位置的電壓，可能更容易在長(zhǎng)電線上發(fā)送一系列脈沖，而不是發(fā)送電壓本身。這些脈沖對(duì)噪音更有抵抗力，你可以從脈沖信號(hào)中清除噪聲，而不是試圖從純模擬電壓中剔除噪聲。vto - f電路也有很大的動(dòng)態(tài)范圍，并將在幾十年的頻率中工作。

測(cè)量脈沖序列的頻率僅僅需要一個(gè)微控制器或邏輯電路使用一個(gè)便宜的精確晶體。這比測(cè)量電壓更劃算，因?yàn)槟阈枰粋€(gè)精確的參考芯片。

盡管如此，您的系統(tǒng)仍然可能有一個(gè)準(zhǔn)確的引用。當(dāng)我在惠普設(shè)計(jì)汽車診斷設(shè)備時(shí)，我注意到，“你需要一個(gè)rock和一個(gè)ref。”這是一個(gè)簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)寫(xiě)，說(shuō)你需要一個(gè)石英晶體振蕩器準(zhǔn)確的時(shí)間，和一個(gè)好的參考測(cè)量電壓。用這兩種方法，你可以推導(dǎo)出電流和功率，以及你想測(cè)量的其他任何東西。在某種程度上，使用vto - f轉(zhuǎn)換器意味著您將對(duì)感測(cè)芯片的引用需求。如果你能開(kāi)發(fā)一個(gè)精確的vto - f電路，那么你就不需要一個(gè)單獨(dú)的參考芯片。

說(shuō)vto - f有很大的動(dòng)態(tài)范圍是說(shuō)輸出是非常線性的。它是精確的在廣泛的輸入電壓和輸出頻率。與確保采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在輸入電壓范圍內(nèi)保持精確的頭痛相比，這是一個(gè)很大的問(wèn)題。一旦你向一個(gè)系統(tǒng)增加了衰減和范圍放大器，事情就變得非常困難和復(fù)雜。

我試著用模擬開(kāi)關(guān)在我工作的HP診斷設(shè)備上做一個(gè)衰減器。我在雜散電容和精度問(wèn)題上有各種各樣的問(wèn)題，所以我把Jim Williams叫做線性技術(shù)，現(xiàn)在是模擬裝置的一部分。他問(wèn)我在我的Tektronix范圍內(nèi)改變垂直范圍時(shí)聽(tīng)到了什么。我說(shuō)我聽(tīng)到繼電器點(diǎn)擊。威廉姆斯說(shuō)，他們使用繼電器，因?yàn)樵诟哳l率和電壓下，固態(tài)衰減器幾乎是不可能的。使用vto - f轉(zhuǎn)換器可以省去所有這些麻煩。

要理解vto - f轉(zhuǎn)換，LM331數(shù)據(jù)表是一個(gè)很好的起點(diǎn)。應(yīng)用程序部分是由Pease編寫(xiě)的。德州儀器公布的幾份申請(qǐng)報(bào)告也很可能是由皮斯寫(xiě)的。這些注釋都鏈接到LM331產(chǎn)品頁(yè)面上?；镜膽?yīng)用說(shuō)明，“多功能的單片V/Fs可以計(jì)算和轉(zhuǎn)換精度高，”在1980年發(fā)布，與此同時(shí)。該應(yīng)用程序的說(shuō)明顯示了該部分的簡(jiǎn)單和詳細(xì)的框圖(圖1和圖2)。

你也可以使用LM331制造一個(gè)頻率-電壓轉(zhuǎn)換器。該應(yīng)用說(shuō)明“頻率-電壓轉(zhuǎn)換器使用采樣和保持來(lái)改善響應(yīng)和波紋”顯示了如何在保持快速響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)移除電路的輸出紋波。你可以把它想象成同步解調(diào)的一種形式。它在波紋波形的同一點(diǎn)采樣輸出電壓。本說(shuō)明建立在基本的F-to-V應(yīng)用程序說(shuō)明上，“V/F轉(zhuǎn)換器ICs處理頻率-電壓需求”。

在基本的vto -f轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)鞋面是電流-頻率轉(zhuǎn)換器。還有另一個(gè)不錯(cuò)的應(yīng)用說(shuō)明，“寬量程的電流-頻率轉(zhuǎn)換器”。這款應(yīng)用程序說(shuō)明了如何在LM331的固有寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)構(gòu)建能夠工作到輸入電流的picoamperes的電路。雖然你必須增加大量的電路來(lái)獲得這個(gè)性能，但它是LM331的多功能性的證明。

通過(guò)我的家庭實(shí)驗(yàn)室的抽屜，我發(fā)現(xiàn)了Boldport(圖3)的人給我的LM331電壓-頻率集成電路演示板(圖3)，Boldport的電子藝術(shù)家Saar Drimer博士，將電路板封裝在一個(gè)方便的工具包中，你可以從他的網(wǎng)站上購(gòu)買(mǎi)。這個(gè)工具包有一個(gè)Bob Pease引用“我最喜歡的編程語(yǔ)言是solder。該工具包基于LM331數(shù)據(jù)表的圖20(圖4)。

Drimer增加了一個(gè)輸出LED，這樣你就可以看到輸出頻率的變化。另一個(gè)不同之處在于，當(dāng)Pease被稱為光敏晶體管時(shí)，Drimer的試劑盒使用的是光傳導(dǎo)電池。Drimer也放慢了頻率，這樣你就能看到LED的閃爍。Micah Scott有一個(gè)視頻制作的工具包:

我們大多數(shù)人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)STEM(科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué))。我第一次聽(tīng)到“蒸汽”這個(gè)詞是來(lái)自我在邪惡的瘋狂科學(xué)家的朋友們。添加的“A”代表“藝術(shù)”。Boldport是工程藝術(shù)方面的倡導(dǎo)者，LM331 Pease PCB(印刷電路板)上的古怪痕跡就是明證。雖然電路的藝術(shù)方面似乎正在蓬勃發(fā)展，但很高興知道像吉姆·威廉姆斯這樣的模擬天才在幾十年前就用電子電路制作了作品。威廉姆斯的好朋友，馬克西姆綜合公司的萊恩·謝爾曼，甚至編了一本各種威廉姆斯作品的書(shū)(圖5)。

我們模擬人也知道，電路理論和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上有藝術(shù)。比起使用LM331，從Microchip、TI或NXP中購(gòu)買(mǎi)一個(gè)便宜的微控制器可能更容易。事情是這樣的，LM331的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是值得理解的，這樣你就知道了模擬設(shè)計(jì)的原理。當(dāng)芯片來(lái)來(lái)去去，模擬的原理是永恒的。