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[导读]   TD650是高精度、高频型单片集成电压/频率(V/F)和频率/电压(F/V)转换电路。主要特点有:    ①工作频率高,最高工作频率可达1 MHz。    ②非线性和温漂低。满度输出频率为10 kHz时,非线

  TD650是高精度、高频型单片集成电压/频率(V/F)和频率/电压(F/V)转换电路。主要特点有:
  
  ①工作频率高,最高工作频率可达1 MHz。
  
  ②非线性和温漂低。满度输出频率为10 kHz时,非线性度典型值为0.002%,最大值为0.005%,温漂小于±7.5×10(-5)/℃。
  
  ③输入电压范围大,输入方式可以是单极性、双极性、差动输入电压或单极性输入电流。
  
  ④频率输出采用输出管集电极开路输出,其上拉电阻可接+30 V、+15 V或+5 V电源,并可与TTL或CMOS电路兼容。
  
  ⑤外围电路结构简单,既可作V/F转换,又可作F/V转换。
  
  ⑥具有独立的数字地与模拟地。
  
  TD650可构成廉价、高分辨率、低速A/D和D/A转换器、远距离隔离信号传输电路、锁相环路、调制解调电路、窄带滤波电路、精密转速表、马达转速控制电路等,被广泛应用于计算机、精密测量、仪器仪表、通信、雷达及航空航天等领域。
  
  TD650与美国AD650的功能、外形、封装形式、引线排列完全相同,可互换使用。

一、TD650芯片
  
  1.TD650性能及组成
  
  TD650采用陶瓷14脚DIP型封装,其功能框图及引脚排列如图1所示。


  
  TD650主要由运算放大器、比较器、单稳定时电路及方位开关等组成。
  
  2.TD650的基本工作原理
  
  TD650属电荷平衡型V/F和F/V转换器。下面着重介绍其V/F转换的工作原理。
  
  为了分析方便起见,采用图2(a)所示的简化电路。当单稳电路被触发,其输出为高电平时,转换开关Sl转向运放的电流相加点,此过程称为积分器的复位过程;当单稳电路输出为低电平时,电流转换开关S.转向运放的输出端,电流源便连接到运放的输出端,此过程称为积分器的积分过程。两个不同的过程分别示于图2(b)和图2(c)。
  
  当输人为正电压时,输入电流为IIN=VIN/RIN,给积分电容CINT充电,积分器的输出电位不断下降;当积分器的输出电位降到比较器的阈值电位-0.6 V时,比较器状态翻转,触发单稳电路进入暂态,开始复位过程。此时0.5 mA的恒流源连接到COS上,使COS电位线性下降。当COS上电位降至-3.4 V时,单稳电路复位,结束暂态,进入稳态。单稳电路的定时时间由COS决定的时间和门延迟时间TG(约300 ns)决定,即


  
  积分器复位过程的上升电压见图2(b)

  复位过程结束后,开始积分过程(见图2(c)).其积分时间为


  
  则输出频率
  
  

式中:fo单位为Hz。
  
  由上式可知,当输入电阻RIN、定时电容C0s -定时,输出频率fo正比于输入电压VIN,与积分电容CINT无关,而CINT只决定积分器输出锯齿波的高度。
  
  3.TD650基本应用电路
  
  (1)单极性正输入电压V/F转换电路
  
  TD650单极性正输入电压V/F转换电路如图3所示。电路中,只有4个元件:输入电阻RIN、单稳定时电容Cos、输出管上拉电阻R2和积分电容CINT.须根据使用情况确定。
  
  上拉电阻R2作限制频率输出管输出电流用,使其小于8 mA。如若采用逻辑电源为VL=5V,输出管饱和压降为0.4 V,则R2应大于(5 V-0.4 V)/8 mA=575 Q.取R2为625 Ω。
  
  输入电阻RIN和单稳定时电容Cos取决于输入电压范围和满度输出频率,参见图4。


  从图中可知,RIN和Cos值越大,则非线性度越低。该图虽然是建立在单极性0~10 V输入电压范围基础上,但其结果也可推广到其他输入方式和输入电压范围。如对于100 kHz满度频率输出(对应于0~10 V输入),若RIN =20 kQ,则Cos= 620 pF,从而得到最低的非线性度为0. 003 8%。而非线性度为20×l0-5所能得到的最大满度输出频率为33 kHz。此时,RIN=40.2 kΩ,Cos =1 000 pF。
  
  对输入信号范围不是0~10 V的情况,输入电阻值也必须同时随输入信号范围成比例变化。若为O~10 V电压范围时,RIN为100 kΩ;则0~1V范围时,
  
  RIN应为10 kΩ;±lo V双极性输入时,则须用200 kΩ。
  
  对积分电容CINT的选定,在几乎所有的情况下,最优值CIIT可用下式计算:


  
  (2)单极性负输入电压V/F转换电路
  
  负输入电压V/F转换电路如图4所示。本电路在输入电压-10~0 V范围内,对应输出100~0 kHz频率方波。


  
  此电路采用同相输入,故其输入阻抗较高(约1 GΩ以上)。对于图3-120电路,积分电流必须由信号源提供,而此电路则是由模拟地提供的。电路元件的选择与正输入电路相同。
  
  (3)双极性输入电压V/F转换电路
  
  双极性输入电压V/F转换电路如图5所示。当输入电压为-5~+5 V时,输出频率为0~100 kHz。


  
  由于输入-5 V时,输出为零,因此,运放3端电位应偏置于最大负电压。而3端与2端电位相等,故可通过预置2端的电位来适应不同的输入电压。恒流源电流I0由电阻R5决定,它与R5的关系见下图,Jo的误差约为10%。于是,2端的电位V2=-IR4×R4=Jo×R4。故改变Rs值,即可在2、3端得到不同的预置电位。当R5=1.24 kΩ时,Io=0.5 mA,则V2=V3=-IO×R4 =-5 V。若VIN=+5 V,则IIN =0. 25 mA;若VIN=-5 V,则IIN=O。
  
  电路元件仍可参照单极性正输入电压V/F转换电路选择。
  
  (4)差动输入电压V/F转换电路
  
  下图是差动输入电压V/F转换电路图。共模输入电压VCM对模拟地的电压范围是+15~-5 V,输入信号电压VIN相对于VCM的电压范围是±5V。两个输入端均为低输入阻抗,驱动共模输入端的信号源必须能够提供0.5 mA电流。信号输入端也须提供足够的积分电流。
  
  如果共模电压范围较小,则可以使用较小值的稳压二极管。如若使用5V的稳压二极管,则VCM的范围为-10~+5 V。如果不使用稳压二极管,对模拟地的共模输入电压范围是±5V,同时10kΩ的电阻也可省去不用,积分器输出端1可直接连接到比较器的输入端9。


  
  (5)高频应用
  
  下图是TD6501 MHz V/F转换电路图。
  
  当TD650工作频率接近1 MHz时,其电路布线很重要。元件连接应尽可能短,特别是单稳定时电路、积分电容和积分器相加点处的连接。当满度
  
  输出频率高于500 kHz时,1脚与5脚间须接一只3.6kΩ的下偏置电阻,以减小运放的输出阻抗,改善静态响应。


  
  (6) F/V转换电路
  
  TD650除可完成V/F转换外,还可实现线性很好的F/V转换,下图是输入TTL逻辑电平时的F/V转换电路图。
  
  当比较器输入端信号变负时,微分电路输出负脉冲,单稳电路被触发,同时它又控制1 mA的恒流源,以给定的时间周期(由tos决定)接到积分器输入端。输入频率越高,注入到积分电容器上的电荷越多,输出电压就越高。当积分器的输入端平均电流等于流过R1、R3上的电流时,输出便稳定下来,从而使输出电压正比于输入频率。电路元件选择仍参照正输入V/F转换电路。

  上图电路也可偏置,以适应任何输入波形。对于TTL输入,采用1 000 pF电容和2.2kQ电阻形成负尖脉冲触发单稳电路。若输入缓慢的波形信号,耦合电容和电阻较大,一旦比较器阈值端电位低于-0.6 v的时间长于单稳定时时间tos,则单稳电路就会在一个输入信号周期内被触发多次,从而使F/V转换输出不连续。故输入信号脉冲应大于100 ns,但小于0.3×tos(tos由单极性正输入电压公式决定)。
  
  4,TD650实际应用电路
  
  v/F和F/V电路应用范围很广,尤其是TD650。它工作频率高,抗干扰性强,共模电压高,非线性度和温漂低,适用于远距离传输,且输入方式灵活,价格低廉,可靠性高,几乎可以替代目前所有的模块式v/F和F/V转换电路。下面介绍几个实际应用电路。
  
  (1) TD650构成廉价、低速度、高分辨率A/D转换器
  
  由v/F电路构成的A/D转换器,具有转换精度高的特点,主要用于数字天平、数字温度计等测量系统中。
  
  TD650工作频率高,非线性度低,十分适合用作A/D转换器。
  
  下图是TD650构成A/D转换器的方框图。


  
  TD650工作于满度输出频率10 kHz,时可构成转换周期为1·64 s、分辨率为14位的A/D转换器。当工作于满度输出频率1 MHz时,可构成转换周期为1ms的10位分辨率的A/D转换器。
  
  (2)温度一频率转换电路
  
  用TD650与集成温度传感器LM35可构成温度一频率转换电路,如下图所示。LM35温度范围为-55~+155℃,输出电压对温度的变化率为△Vo/△t=10 mV/℃。本电路适于+2~+150℃范围,此时LM35输出电压为20 mV~l.5 V。当TD650连接成满度输出频率为10 kHz时,其输出频率为20~1 500 Hz.其测量精度为0.4℃。
  
  本电路特别适合于远距离温度测量及控制系统。通常,集成温度传感器LM35输出随温度变化的电压信号,直接经长线传输。由于外界干扰及长距离传输,信号衰减十分严重。一般测控系统几乎无法分辨温度变化。若将LM35的输出电压转变成频率,并将频率信号通过光电耦合器传输,就可以解决上述问题,同时还能将传感器与测控部分隔离。

同样,其他类型的传感器也可由TD650组成的V/F电路转换为频率信号,然后经过传输系统送人接收部分,经接收

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