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電壓-週期轉換器兼具高線性與快速運作

圖1所示電路將輸入直流(DC)電壓轉換為脈衝序列。這些脈衝週期與輸入電壓成正比,且具有50%的工作週期,非線性誤差為0.01%。最大轉換時間小於5毫秒(ms)。

圖1:該電路使用積分器,以及具有可變遲滯的施密特觸發器,將DC電壓轉換為脈衝序列,其中脈衝週期與輸入電壓成正比。

該電路由四個部分組成。運算放大器IC1和電阻R1至R5共同為積分器產生兩個參考電壓。

該積分器由IC2、RINT和CINT構成,產生兩個線性斜坡訊號。開關S1改變流入積分電容的電流方向;進而改變線性斜坡訊號的方向。電路的其餘部份是一個具有可變遲滯的施密特(Schmitt)觸發器。低觸發點VLO固定,高觸發點VHI可變(輸入電壓VIN會影響其值)。

來自積分器的訊號在觸發器的兩個觸發點之間以相同的速率,沿相反的方向掃描。由於R4=R5,佔空比為50%,其傳遞函數如下:

為了使電路開始振盪,當電路通電時,必須滿足以下關係:

圖2顯示電路的傳遞函數是完全線性的(R²係數等於1)。實際上,曲線周圍存在輕微偏差;相對於輸出週期,這些偏差不超過±0.01%。可以透過調節R²將曲線斜率調整至1000µs/V,並且可以透過微控制器(µC)輕鬆消除這種偏差。

圖2:圖1所示電路的傳遞函數。它具有很強的線性,並且可以透過R2輕鬆調節。

圖1顯示,微控制器(µC)透過以頻率fCLK=1MHz的時脈脈衝填充週期T,將週期T轉換為數值,並向結果加50以消除偏移。所得數值的範圍為200到4800,即解析度為每mV一個計數。

透過將時脈頻率設置為10MHz,解析度可以輕鬆提高10倍。更重要的是,非線性誤差和轉換時間保持不變,這是電壓-頻率轉換器(VFC)無法實現的。以下是一個具體示例:

假設一個電壓-週期轉換器(VPC)在5V滿量程輸入電壓下產生週期T=5ms的脈衝。用1MHz時脈脈衝填充該週期,可產生5000個脈衝(N=T×fCLK)。轉換時間為5ms,這是該轉換器最長的轉換時間。如我們所知,其非線性度為0.01%。

現在考慮一個VFC,它在5V輸入電壓下產生頻率f=5kHz的訊號。為了得到數字5000,該訊號必須經過一個持續時間為1秒的訊號閘控(N=tG*f)。閘控時間即為轉換時間。

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