基于LM331的宽频频率/电压转换电路

在智能测量系统及自适应信号处理系统中，经常需要将频率信号转换为电压信号或将电压信号转换为频率信号[1-4]。但是由于频率/电压转换芯片自身性能的限制，所设计的频率/电压转换电路能转换的频率范围一般比较小，很难处理频率比较高的信号。因此，为了解决这些问题，必须对频率/电压转换电路所允许输入信号的频率范围进行扩展。
现阶段实现宽频频率/电压转换电路的方法是直接利用宽频频率/电压转换芯片，例如ADI公司生产的基于ΣΔ技术的频率/电压转换芯片AD7740、AD7741、AD652、AD654、AD650及ADVFC32等[5-6]。但是这些芯片构成的频率/电压转换电路的允许频率范围最大也只有3 MHz左右，而且芯片的成本较高，构成的电路结构比较复杂，功耗较大。本文提出了一种利用分频及放大原理对LM331的频率转换范围进行扩展的方法，设计了一种宽频频率/电压转换电路，解决了一般频率/电压转换芯片转换频率低的问题。
1 硬件电路设计
1.1 系统框图
基于LM331的宽频频率/电压转换电路的系统结构框图如图1所示，它由主控电路、分频电路、频率电压转换电路、放大电路四部分组成。主控电路采用AT89S52单片机作为主控芯片；分频电路采用高速双D型触发器、十进制同步加/减计数器、双4选1数据选择器来实现；频率/电压转换电路由频率/电压转换芯片LM331及一些电阻电容构成；放大电路由运算放大器、双向模拟开关及电阻网络来实现。

为了实现宽频频率电压转换，首先将整形后待处理信号经400分频后，由AT89S52单片机测量信号频率并选择合适的分频比，控制分频电路重新对整形后的信号进行分频；同时单片机控制放大电路产生相应放大倍数的信号，重新分频后的信号经过频率/电压转换电路转换为电压信号，最后经放大电路放大相应的倍数后输出以完成宽频频率/电压转换。
1.2 基于LM331的宽频频率电压转换电路的设计
1.2.1 频率/电压转换
频率/电压转换就是把输入的脉冲信号转换为电压信号输出的一种电路。输出的电压与输入的脉冲频率成线性关系，并可通过测量其输出端的电压值来间接测量输入的脉冲频率。频率/电压转换电路由专用的频率/电压转换芯片LM331及少量的电阻电容组成。
LM331外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331构成的频率/电压转换电路如图2所示，经放大整形后的信号Fi1经过R1、C3组成的微分电路加到LM331的6脚。当Fi1的下降沿到来时经过微分电路将在6脚产生负向尖峰脉冲，当负向尖峰脉冲大于VCC/3时LM331的内部触发器将置位，其内部的电流源对电容CL充电，同时电源VCC通过Rt对电容Ct充电。当CL上的电压大于2VCC/3时，LM331内部的触发器复位，CL通过RL放电，同时定时电容Ct迅速放电，完成一次充放电过程。此后，每经过一次充放电过程电路重复上面的工作过程，这样就实现了频率/电压的转换。LM331输出的电压Vf1与输入信号频率Fi1的关系可表示为：

1.2.2 分频电路的设计
由于LM331最大电压转换频率为100 kHz，要处理频率较高的信号，首先需要对放大整形后的信号进行分频。分频电路如图3所示。分频电路主要是由高速双D型触发器74ALS74、计数器74ALS168和数据选择器74ALS153组成。当待处理信号的频率较高时，先将其400分频后送入主控电路测量频率并选择合适的分频比，进行不分频、4分频、40分频或400分频。这时分频电路设计的脉冲占空比为50%，满足频率/电压转换电路要求输入脉冲信号的占空比必须为30%以上的要求。

1.2.3 程控放大电路的设计
待处理信号经分频电路分频并完成频率/电压转换后，需程控放大电路按照相应的分频比对电压信号进行放大。程控放大电路如图4所示，该电路由运算放大器OP37、4双向模拟开关CD4066及电阻网络构成。主控芯片AT89S52单片机通过写不同的控制字控制模拟开关选择合适的电阻网络，从而调节放大电路的放大倍数。

该电路的特点是把电阻网络及模拟开关接在运算放大器的反相输入端之前，使得模拟开关的电阻对放大倍数几乎没有影响。在运算放大器的1引脚和8引脚接Rp用于实现运算放大器的调零。该电路可以实现不放大、放大4倍、放大40倍、放大400倍。
2 软件设计
程序流程图如图5所示，系统上电完成器件初始化后，等待启动键K2按下。当K2键按下时启动频率测量，当待测频率变化时单片机进行参数计算并通过P1口输出合适的控制字，控制分频电路和放大电路选择对应的分频比和放大倍数对信号进行相应的处理。当结束键K3按下时系统停止工作，否则重复前面的步骤。

当单片机测得信号的频率在75 kHz～10 kHz之间时，信号将被400分频后输入频率/电压转换电路，同时放大电路会选择放大400倍的档位；当测得信号的频率在10 kHz～4 kHz之间时，信号将被40分频后输入频率/电压转换电路，同时放大电路会选择放大40倍的档位；当测得信号的频率在4 kHz～250 Hz之间时，信号将被4分频后输入频率/电压转换电路，同时放大电路会选择放大4倍的档位；当测得信号的频率小于250 Hz时，待处理信号不分频直接输入频率/电压转换电路，同时放大电路变成了电压跟随器，不对待处理信号进行放大。
3 实验结果
3.1 低频频率/电压转换电路实测结果
在实验中当信号频率较低时，可将整形后的信号直接加入频率电压转换电路，而不经过分频电路。直接选取Rt=910 Ω，RL=19 kΩ，Rs=14.5 kΩ，Ct=0.01 μF，当输入信号的频率小于100 kHz时，测得的实验结果如表1所示。

比较分析以上结果可知，利用分频电路和放大电路可以实现基于LM331的频率/电压转换电路频率范围的扩展，有效地解决了现有频率/电压转换芯片转换频率不高的问题。但是该电路在信号频率较小时，转换后的电压误差较大，这可能是由于频率/电压变换系数较小的原因。
本文设计实现的基于LM331的宽频频率/电压转换电路利用由高速双D型触发器74ALS74、计数器74ALS168和数据选择器74ALS153组成的分频电路以及由运算放大器OP37、4双向模拟开关CD4066和电阻网络构成的放大电路对LM331的频率/电压转换范围进行了扩展。设计的宽频频率/电压转换电路所允许输入信号频率范围为1 kHz～30 MHz，电路结构简单，成本低，功耗小，可以应用于传感器测量、电机的转速测量、自适应信号处理等领域，具有良好的应用前景。
参考文献
[1] KOUTROULIS E，KALAITZAKIS K.Development of an integrated data-acquisition system for renewable energy sources systems monitoring[J].Renewable Energy，2003，1(28)：139-152.
[2] Sun Yao，Li Zhenfeng，Zhao Shuang.Research on key technology of well-ground ERT transmitter[J].Procedia Engineering，2012(29)：1099-1106.
[3] SIMONETTA S H，GOLOMBEK D A.An automated tracking system for caenorhabditis elegans locomotor behavior and circadian studies application[J].Journal of Neuroscience Methods，2007，2(16)：273-280.
[4] REN T J，CHEN T C.Robust speed-controlled" style="color:; text-decoration: none; font-weight: bold; ">ledinduction motor drive based on recurrent neural network[J].Electric Power Systems Research，2006，12(76)：1064-1074.
[5] 徐柯，秦建军，张厚，等.3 V/5 V低功耗同步电压频率变换芯片AD7740[J].国外电子元器件，2001(2)：35-38.
[6] 罗毅，李莺，姚毅，等.基于AD652的高精度数据采集系统[J].四川理工学院学报，2011，3(24)：338-340.