專利名稱：低頻頻壓轉(zhuǎn)換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種頻壓轉(zhuǎn)換電路，尤其適用于對一些低頻段的頻率信號
進(jìn)行快速的頻壓轉(zhuǎn)換的低頻頻壓轉(zhuǎn)換電路。
技術(shù)背景現(xiàn)有技術(shù)中，頻壓轉(zhuǎn)換電路通常采用的是電荷平衡原理，在該原理中 用到一個積分電路，由于積分電路的存在，使得頻壓轉(zhuǎn)換電路在低頻段(1kHz以下)輸出特 性會下降，而對于低于200Hz的輸入頻率，輸出特性更會穩(wěn)劇下降，主要是輸出電壓紋波峰 值隨著輸入頻率的下降而穩(wěn)劇增大，甚至將有用的輸出信號淹沒，造成低頻段很大的死區(qū)； 由于積分電路的存在，同時為了兼顧低頻特性，只能加大積分電路的時間常數(shù)，這就造成電 路的響應(yīng)時間變得非常慢，通常是輸入頻率信號對應(yīng)周期時間的大約幾十倍到上百倍，比 如一個采集系統(tǒng)，它主要是處理十幾Hz 幾百Hz的輸入信號，為了達(dá)到很小的輸出電壓紋 波峰值，那么這樣的電路的響應(yīng)時間將會達(dá)到幾秒，甚至到十幾秒，而這樣的響應(yīng)時間，對 于任何信號采集系統(tǒng)來說都是無法忍受的。由此可看出，利用電荷平衡原理設(shè)計的頻壓轉(zhuǎn) 換電路的輸入頻率不能太低，通常在200Hz以上，而一些特定場合，比如電機(jī)測速系統(tǒng)中， 對頻率的要求主要是幾十Hz，最高達(dá)幾百Hz，低端到幾Hz。對于這種使用來說，上述的電路 是無法實(shí)現(xiàn)的。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種有很好的線性
度和穩(wěn)定度，并具有很好的時間響應(yīng)以及很好的輸出特性的低頻頻壓轉(zhuǎn)換電路。 為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采取的技術(shù)方案是所述的低頻頻壓轉(zhuǎn)換電路，有光電隔
離電路，它的作用是將頻率輸入信號與電路進(jìn)行電信號隔離，只允許有用的信號通過，將其
它干擾濾除掉； 有波形整形電路，其輸入與光電隔離電路輸出相接，它的作用是將通過光電隔離 電路采集的有用信號的輸入波形的上升沿和上下降沿變得更加陡峭； 有微處理器，其輸入與波形整形電路輸出相接，它的作用是將經(jīng)波形整形后的采 集輸入信號的周期的時間值換算成對應(yīng)的輸出電壓值； 有D/A轉(zhuǎn)換電路，其輸入與微處理器輸出相接，它的作用是將微處理器得到的輸 出電壓理論值轉(zhuǎn)換成真實(shí)的電壓值； 有電壓基準(zhǔn)電路，它的作用是為D/A轉(zhuǎn)換電路提供高精度電壓基準(zhǔn)。 本發(fā)明的有益效果是所述的低頻頻壓轉(zhuǎn)換電路，采用微處理器控制，用相對簡單
的電路實(shí)現(xiàn)低頻段(1Hz lkHz)的頻壓轉(zhuǎn)換，具有很好的時間響應(yīng)、線性度和穩(wěn)定度，輸出
電壓紋波峰值也很小，輸入極采用了光電隔離和波形整形，可最大限度的提高抗干擾能力。
該電路還可方便的擴(kuò)展到更低的輸入頻率，可以用于低頻信號的頻率采集，比如各種電機(jī)
的測速系統(tǒng)。


圖l是本發(fā)明的電路原理框圖 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的電路原理圖 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的微處理器處理過程的流程圖 圖中頻率輸入信號Fin 電壓輸出端Vout 光電耦合器IC1 電壓比較器IC2 微處理器IC3 D/A轉(zhuǎn)換電路IC4電壓基準(zhǔn)電路IC5晶體諧振器X1限流電阻R1第二第四電阻R4第五電阻R5第六電阻R6第七電阻R7第八電 第一電容C1第二電容C2第三電容C3第四電容C4第一腳l 第四腳4反相輸入腳3同相輸入腳2兩個負(fù)電源腳1、腳4正 Vcc腳20RST腳1 INTO腳6 GND腳10 X2腳4 XI腳5 Pl. 7腳 〗17 DIN腳1 SCLK腳2 CS腳3 D0UT腳4 ADNG腳5 REFIN腳 .8 IN展卩2 GND展卩4 OUT展卩6 以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳述。
具體實(shí)施方式
參照圖1，本發(fā)明低頻頻壓轉(zhuǎn)換電路，是由光電隔離電路、波形整
電阻R2 第三電阻R3 阻R8 第九電阻R9 第二腳2第三腳3 電源腳8輸出腳7 19 P1.6腳18P1.5 6 V0UT膚卩7 ■〖

形電路、微處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路、電壓基準(zhǔn)電路組成。輸入頻率信號與光電隔離電路相接， 光電隔離電路的輸出與波形整形電路相接，波形整形電路的輸出與微處理器相接，微處理 器的輸出和電壓基準(zhǔn)電路的輸出與D/A轉(zhuǎn)換電路的相接，D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出直接作為電 壓信號輸出。所述的光電隔離電路是將頻率輸入信號與電路進(jìn)行電信號隔離，只允許有用 的信號通過，將其它干擾濾除掉；所述的波形整形電路是將通過光電隔離電路采集的有用 信號的輸入波形的上升沿和上下降沿變得更加陡峭；所述的微處理器是將經(jīng)波形整形后的 采集輸入信號的周期的時間值換算成對應(yīng)的輸出電壓值；所述的D/A轉(zhuǎn)換電路是將微處理 器得到的輸出電壓理論值轉(zhuǎn)換成真實(shí)的電壓值；所述的電壓基準(zhǔn)電路是為D/A轉(zhuǎn)換電路提 供高精度電壓基準(zhǔn)。 參照圖2，電路各個部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相互之間的連接關(guān)系為頻率輸入信號Fin 經(jīng)過限流電阻Rl與光電隔離電路的光電耦器IC1的第一腳1相連，光電耦器IC1的第二腳 2與輸入信號的參考地相連，光電耦器IC1的第三腳3接地，光電耦器IC1的第四腳4與作 為波形整形電路的電壓比較器IC2的反相輸入腳3相連，電壓比較器IC2的正電源腳8接 +5V，電壓比較器IC2的負(fù)電源腳1、腳4接地，電壓比較器IC2的反相輸入腳3通過第二電 阻R2接+5￥、通過第三電阻R3接地，電壓比較器IC2的同相輸入腳2通過第四電阻R4接 +5乂、通過第五電阻R5接地，電壓比較器IC2的反相輸入腳3通過第六電阻R6與輸出腳7 相連，電壓比較器IC2的輸出腳7通過第七電阻R7接+5￥、通過第八電阻R8接地。
所述的微處理器在圖2中用IC3表示，微處理器IC3的Vcc腳20接+5V、GND腳10 接地，微處理器電路IC3的X2腳4、 XI腳5跨接一只晶體諧振器XI，并且分別通過第二電 容C2、第三電容C3接地，微處理器IC3的RST腳1通過第一電容Cl接+5￥、通過第九電阻 R9接地，微處理器IC3的INTO腳6接電壓比較器IC2的輸出腳7，微處理器IC3的Pl. 7腳 19、 Pl. 6腳18、 Pl. 5腳17分別與D/A轉(zhuǎn)換電路IC4的DIN腳1、 SCLK腳2、 CS腳3相連， D/A轉(zhuǎn)換電路IC4的VDD腳8接+5V， ADNG腳5接地，電壓基準(zhǔn)電路IC5的IN腳2接+5V、 GND腳4接地，OUT腳6通過第四電容C4接地，電壓基準(zhǔn)電路IC5的OUT腳6與D/A轉(zhuǎn)換電 路IC4的REFIN腳6相連，D/A轉(zhuǎn)換電路IC4的V0UT腳7與電壓輸出端Vout相連。
本發(fā)明由于輸入頻率較低(《lkHz)，這個頻率段對應(yīng)周期是lms ls，本發(fā)明不 是采集頻率信號，而是逐個采集周期信號，用微處理器把周期信號的時間值換算成對應(yīng)的 輸出電壓值，并在D/A轉(zhuǎn)換器中還原成電壓值。這樣來實(shí)現(xiàn)電路的功能，可以快速的完成頻 率到電壓的轉(zhuǎn)換，所用的時間，也就是響應(yīng)時間，是輸入頻率信號對應(yīng)周期時間加上O. 2ms， 這對于處理10Hz的信號，其響應(yīng)時間也只是O. ls。 圖2的電路原理如下輸入頻率信號Fin經(jīng)光耦I(lǐng)Cl進(jìn)行光電隔離，再經(jīng)電壓比較器IC2的波形整形后送入微處理器IC3的外部中斷口 INTO，微處理器對輸入脈沖信號進(jìn)行 處理，將處理結(jié)果通過Pl. 5、 PI. 6、 PI. 7組成的串行通訊口發(fā)送給D/A轉(zhuǎn)換電路IC4，并由 D/A轉(zhuǎn)換電路IC4將數(shù)字信號還原成電壓信號做為Vout輸出，電壓基準(zhǔn)電路IC5給D/A轉(zhuǎn) 換電路IC4提供電壓基準(zhǔn)。 其中，微處理器處理過程的流程圖如圖3所示選用一個合適的晶體諧振器作為 微處理器的時鐘，同時定義了微處理器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)時鐘，比如對于MSC-51系列微處理 器來說，12MHz的晶體諧振器所確定的標(biāo)準(zhǔn)時鐘為1 P s。當(dāng)每一個脈沖信號到來時，會產(chǎn)生 一個外部中斷，微處理器定義一個計數(shù)器Timer,當(dāng)?shù)谝粋€外部中斷到來時，微處理器會使 Timer清零，并開始對1 y s的標(biāo)準(zhǔn)時鐘計數(shù)，每過1 P s， Timer的值會加l，直到第二個外部 中斷到來，先停鐘，取出計數(shù)器Timer的值，并賦值給臨時寄存器T，再使Timer清零，重新對 標(biāo)時鐘計數(shù)，在等待下一個中斷到來之前可以對臨時寄存器T的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其實(shí)，臨時 寄存器T的值就是輸入信號的即時周期T，單位為iis，而輸入信號的即時頻率F二 1/T，單 位為腿z，而輸出電壓Vout正比于基準(zhǔn)電壓Vref ，也正比于輸入信號的頻率F，選取一個合 適的比例因子K，作如下計算
Vout = K X Vref X F = K X Vref/T 計算公式中T是微處理器編程時定義的變量，用以記錄Time的計數(shù)結(jié)果，其值也 是輸入信號的即時周期，單位為P s ; F是一個中間變量，輸入信號的頻率，單位為腿z ;
K是計算公式中引入的一個比例因子；
Vref是頻壓轉(zhuǎn)換電路的外加基準(zhǔn)電壓。 微處理器把計算結(jié)果通過指令控制D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓。以后每個中斷到來 時均作以上處理，周而復(fù)始。 本發(fā)明所用主要器件說明及選擇圖1、圖2、圖3中，D/A為數(shù)字-模擬變換器； 微處理器，也就是單片機(jī)，本實(shí)施例以Ateml公司生產(chǎn)的MSC-51系列單片機(jī)為例；INT0為 MSC-51系列單片機(jī)的0號外部中斷口的標(biāo)識；Pl. 5為MSC-51系列單片機(jī)的8位輸入輸出 口 PI的第5位；Timer為單片機(jī)編程時定義的變量，用以記錄對標(biāo)準(zhǔn)時鐘的計數(shù)值；Pl. 6為 MSC-51系列單片機(jī)的8位輸入輸出口 PI的第6位；Pl. 7為MSC-51系列單片機(jī)的8位輸入 輸出口 PI的第7位；光電耦合器ICl可用MOTOROLA公司的4N25 ;電壓比較器IC2可用ST 公司的LM311 ;微處理器IC3可用Ateml公司的AT89C2051， D/A轉(zhuǎn)換電路IC4可用MAXIM 公司的MAX515 ;電壓基準(zhǔn)電路IC5可用MOTOROLA公司的MC1403。 本發(fā)明所用元器件的參數(shù)是(僅供參考)Xl = 12.000MHz ;Rl = 820 Q ;R2 = 10k Q ;R3 = 20k Q ;R4 = 20k Q ;R5 = 10k Q ;R6 = 100k Q ;R7 = 10k Q ;R8 = 100k Q ;R9 =10k Q ;Cl = 10 ii F ;C2 = 30pF ;C3 = 30pF ;C4 = 0. 01 ii F。
權(quán)利要求
低頻頻壓轉(zhuǎn)換電路，其特征是有光電隔離電路，是將頻率輸入信號與電路進(jìn)行電信號隔離，只允許有用的信號通過，將其它干擾濾除掉；有波形整形電路，其輸入與光電隔離電路輸出相接，是將輸入波形的上升沿和上下降沿變得陡峭；有微處理器，其輸入與波形整形電路輸出相接，是將采集輸入信號的周期的時間值換算成對應(yīng)的輸出電壓值；有D/A轉(zhuǎn)換電路，其輸入與微處理器輸出相接，是將微處理器得到的輸出電壓理論值轉(zhuǎn)換成真實(shí)的電壓值；有電壓基準(zhǔn)電路，是為D/A轉(zhuǎn)換電路提供電壓基準(zhǔn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的低頻頻壓轉(zhuǎn)換電路，其特征是頻率輸入信號(Fin)經(jīng)過限 流電阻(Rl)與光電隔離電路的光電耦器(IC1)的第一腳(1)相連，光電耦器(IC1)的第二 腳(2)與輸入信號的參考地相連，光電耦器(IC1)的第三腳(3)接地，光電耦器(IC1)的 第四腳(4)與作為波形整形電路的電壓比較器(IC2)的反相輸入腳(3)相連，電壓比較器 (IC2)的正電源腳(8)接+5V，電壓比較器(IC2)的負(fù)電源腳(1)、腳(4)接地，電壓比較器 (IC2)的反相輸入腳(3)通過第二電阻(R2)接+5V、通過第三電阻(R3)接地，電壓比較器 (IC2)的同相輸入腳(2)通過第四電阻(R4)接+5V、通過第五電阻(R5)接地，電壓比較器 (IC2)的反相輸入腳(3)通過第六電阻(R6)與輸出腳(7)相連，電壓比較器(IC2)的輸出腳(7) 通過第七電阻(R7)接+5V、通過第八電阻(R8)接地；微處理器(IC3)的Vcc腳(20)接 +5乂，腳(10)接地，微處理器(IC3)的X2腳(4)、Xl腳(5)跨接一只晶體諧振器(XI)， 并且分別通過第二電容(C2)、第三電容(C3)接地，微處理器(IC3)的RST腳(1)通過第一 電容(Cl)接+5V、通過第九電阻(R9)接地，微處理器(IC3)的INT0腳(6)接電壓比較器 (IC2)的輸出腳(7)，微處理器(IC3)的Pl. 7腳(19) 、Pl. 6腳(18) 、Pl. 5腳(17)分別與D/ A轉(zhuǎn)換電路(IC4)的DIN腳(1)、SCLK腳(2)、CS腳(3)相連，D/A轉(zhuǎn)換電路(IC4)的VDD腳(8) 接+5V，ADNG腳(5)接地，電壓基準(zhǔn)電路(IC5)的IN腳(2)接+5V、GND腳(4)接地，0UT 腳(6)通過第四電容(C4)接地，電壓基準(zhǔn)電路(IC5)的0UT腳(6)與D/A轉(zhuǎn)換電路(IC4) 的REFIN腳(6)相連，D/A轉(zhuǎn)換電路(IC4)的V0UT腳(7)與電壓輸出端(Vout)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低頻頻壓轉(zhuǎn)換電路，有光電隔離電路，是將頻率輸入信號與電路進(jìn)行電信號隔離，只允許有用的信號通過，將其它干擾濾除掉；有波形整形電路，其輸入與光電隔離電路輸出相接，是將輸入波形的上升沿和上下降沿變得更加陡峭；有微處理器，其輸入與波形整形電路輸出相接，是將采集輸入信號的周期的時間值換算成對應(yīng)的輸出電壓值；有D/A轉(zhuǎn)換電路，其輸入與微處理器輸出相接，是將微處理器得到的輸出電壓理論值轉(zhuǎn)換成真實(shí)的電壓值；有電壓基準(zhǔn)電路，是為D/A轉(zhuǎn)換電路提供電壓基準(zhǔn)。本發(fā)明在低頻段(1Hz～1kHz)具有很好的線性度和穩(wěn)定度，并具有很好的時間響應(yīng)以及很好的輸出特性。
文檔編號H03B28/00GK101764573SQ20091011773
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者文世博, 王曉彤 申請人:天水華天微電子股份有限公司