具有V/F和F/V綜合性芯片TD650與單片機(jī)接口及程序設(shè)計

　　TD650是高精度、高頻型單片集成電壓／頻率(V/F)和頻率／電壓(F／V)轉(zhuǎn)換電路。主要特點有：
　　
　?、俟ぷ黝l率高，最高工作頻率可達(dá)1 MHz。
　　
　?、诜蔷€性和溫漂低。滿度輸出頻率為10 kHz時，非線性度典型值為0.002%，最大值為0.005%，溫漂小于±7.5×10(-5)/℃。
　　
　?、圯斎腚妷悍秶?，輸入方式可以是單極性、雙極性、差動輸入電壓或單極性輸入電流。
　　
　?、茴l率輸出采用輸出管集電極開路輸出，其上拉電阻可接+30 V、+15 V或+5 V電源，并可與TTL或CMOS電路兼容。
　　
　?、萃鈬娐方Y(jié)構(gòu)簡單，既可作V／F轉(zhuǎn)換，又可作F／V轉(zhuǎn)換。
　　
　?、蘧哂歇毩⒌臄?shù)字地與模擬地。
　　
　　TD650可構(gòu)成廉價、高分辨率、低速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、遠(yuǎn)距離隔離信號傳輸電路、鎖相環(huán)路、調(diào)制解調(diào)電路、窄帶濾波電路、精密轉(zhuǎn)速表、馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制電路等，被廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、精密測量、儀器儀表、通信、雷達(dá)及航空航天等領(lǐng)域。
　　
　　TD650與美國AD650的功能、外形、封裝形式、引線排列完全相同，可互換使用。

一、TD650芯片
　　
　　1．TD650性能及組成
　　
　　TD650采用陶瓷14腳DIP型封裝，其功能框圖及引腳排列如圖1所示。

　　
　　TD650主要由運算放大器、比較器、單穩(wěn)定時電路及方位開關(guān)等組成。
　　
　　2．TD650的基本工作原理
　　
　　TD650屬電荷平衡型V／F和F/V轉(zhuǎn)換器。下面著重介紹其V／F轉(zhuǎn)換的工作原理。
　　
　　為了分析方便起見，采用圖2(a)所示的簡化電路。當(dāng)單穩(wěn)電路被觸發(fā)，其輸出為高電平時，轉(zhuǎn)換開關(guān)Sl轉(zhuǎn)向運放的電流相加點，此過程稱為積分器的復(fù)位過程；當(dāng)單穩(wěn)電路輸出為低電平時，電流轉(zhuǎn)換開關(guān)S．轉(zhuǎn)向運放的輸出端，電流源便連接到運放的輸出端，此過程稱為積分器的積分過程。兩個不同的過程分別示于圖2(b)和圖2(c)。
　　
　　當(dāng)輸人為正電壓時，輸入電流為IIN=VIN/RIN，給積分電容CINT充電，積分器的輸出電位不斷下降；當(dāng)積分器的輸出電位降到比較器的閾值電位-0.6 V時，比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)單穩(wěn)電路進(jìn)入暫態(tài)，開始復(fù)位過程。此時0.5 mA的恒流源連接到COS上，使COS電位線性下降。當(dāng)COS上電位降至-3.4 V時，單穩(wěn)電路復(fù)位，結(jié)束暫態(tài)，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)電路的定時時間由COS決定的時間和門延遲時間TG(約300 ns)決定，即

　　
　　積分器復(fù)位過程的上升電壓見圖2(b）

　　復(fù)位過程結(jié)束后，開始積分過程(見圖2(c)）．其積分時間為

　　
　　則輸出頻率
　　
　　

式中：fo單位為Hz。
　　
　　由上式可知，當(dāng)輸入電阻RIN、定時電容C0s -定時，輸出頻率fo正比于輸入電壓VIN，與積分電容CINT無關(guān)，而CINT只決定積分器輸出鋸齒波的高度。
　　
　　3．TD650基本應(yīng)用電路
　　
　　(1)單極性正輸入電壓V/F轉(zhuǎn)換電路
　　
　　TD650單極性正輸入電壓V/F轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。電路中，只有4個元件：輸入電阻RIN、單穩(wěn)定時電容Cos、輸出管上拉電阻R2和積分電容CINT．須根據(jù)使用情況確定。
　　
　　上拉電阻R2作限制頻率輸出管輸出電流用，使其小于8 mA。如若采用邏輯電源為VL=5V，輸出管飽和壓降為0.4 V，則R2應(yīng)大于(5 V-0.4 V)/8 mA=575 Q．取R2為625 Ω。
　　
　　輸入電阻RIN和單穩(wěn)定時電容Cos取決于輸入電壓范圍和滿度輸出頻率，參見圖4。

　　從圖中可知，RIN和Cos值越大，則非線性度越低。該圖雖然是建立在單極性0～10 V輸入電壓范圍基礎(chǔ)上，但其結(jié)果也可推廣到其他輸入方式和輸入電壓范圍。如對于100 kHz滿度頻率輸出（對應(yīng)于0～10 V輸入），若RIN =20 kQ，則Cos= 620 pF，從而得到最低的非線性度為0. 003 8%。而非線性度為20×l0-5所能得到的最大滿度輸出頻率為33 kHz。此時，RIN=40.2 kΩ，Cos =1 000 pF。
　　
　　對輸入信號范圍不是0~10 V的情況，輸入電阻值也必須同時隨輸入信號范圍成比例變化。若為O～10 V電壓范圍時，RIN為100 kΩ；則0～1V范圍時，
　　
　　RIN應(yīng)為10 kΩ;±lo V雙極性輸入時，則須用200 kΩ。
　　
　　對積分電容CINT的選定，在幾乎所有的情況下，最優(yōu)值CIIT可用下式計算：

　　
　　(2)單極性負(fù)輸入電壓V/F轉(zhuǎn)換電路
　　
　　負(fù)輸入電壓V/F轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。本電路在輸入電壓-10～0 V范圍內(nèi)，對應(yīng)輸出100～0 kHz頻率方波。

　　
　　此電路采用同相輸入，故其輸入阻抗較高（約1 GΩ以上）。對于圖3-120電路，積分電流必須由信號源提供，而此電路則是由模擬地提供的。電路元件的選擇與正輸入電路相同。
　　
　　(3)雙極性輸入電壓V/F轉(zhuǎn)換電路
　　
　　雙極性輸入電壓V/F轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。當(dāng)輸入電壓為-5～+5 V時，輸出頻率為0～100 kHz。

　　
　　由于輸入-5 V時，輸出為零，因此，運放3端電位應(yīng)偏置于最大負(fù)電壓。而3端與2端電位相等，故可通過預(yù)置2端的電位來適應(yīng)不同的輸入電壓。恒流源電流I0由電阻R5決定，它與R5的關(guān)系見下圖，Jo的誤差約為10%。于是，2端的電位V2=-IR4×R4=Jo×R4。故改變Rs值，即可在2、3端得到不同的預(yù)置電位。當(dāng)R5=1.24 kΩ時，Io=0.5 mA，則V2=V3=-IO×R4 =-5 V。若VIN=+5 V，則IIN =0. 25 mA;若VIN=-5 V，則IIN=O。
　　
　　電路元件仍可參照單極性正輸入電壓V/F轉(zhuǎn)換電路選擇。
　　
　　(4)差動輸入電壓V／F轉(zhuǎn)換電路
　　
　　下圖是差動輸入電壓V／F轉(zhuǎn)換電路圖。共模輸入電壓VCM對模擬地的電壓范圍是+15～-5 V，輸入信號電壓VIN相對于VCM的電壓范圍是±5V。兩個輸入端均為低輸入阻抗，驅(qū)動共模輸入端的信號源必須能夠提供0.5 mA電流。信號輸入端也須提供足夠的積分電流。
　　
　　如果共模電壓范圍較小，則可以使用較小值的穩(wěn)壓二極管。如若使用5V的穩(wěn)壓二極管，則VCM的范圍為-10～+5 V。如果不使用穩(wěn)壓二極管，對模擬地的共模輸入電壓范圍是±5V，同時10kΩ的電阻也可省去不用，積分器輸出端1可直接連接到比較器的輸入端9。

　　
　　(5)高頻應(yīng)用
　　
　　下圖是TD6501 MHz V／F轉(zhuǎn)換電路圖。
　　
　　當(dāng)TD650工作頻率接近1 MHz時，其電路布線很重要。元件連接應(yīng)盡可能短，特別是單穩(wěn)定時電路、積分電容和積分器相加點處的連接。當(dāng)滿度
　　
　　輸出頻率高于500 kHz時，1腳與5腳間須接一只3.6kΩ的下偏置電阻，以減小運放的輸出阻抗，改善靜態(tài)響應(yīng)。

　　
　　(6) F／V轉(zhuǎn)換電路
　　
　　TD650除可完成V/F轉(zhuǎn)換外，還可實現(xiàn)線性很好的F/V轉(zhuǎn)換，下圖是輸入TTL邏輯電平時的F/V轉(zhuǎn)換電路圖。
　　
　　當(dāng)比較器輸入端信號變負(fù)時，微分電路輸出負(fù)脈沖，單穩(wěn)電路被觸發(fā)，同時它又控制1 mA的恒流源，以給定的時間周期（由tos決定）接到積分器輸入端。輸入頻率越高，注入到積分電容器上的電荷越多，輸出電壓就越高。當(dāng)積分器的輸入端平均電流等于流過R1、R3上的電流時，輸出便穩(wěn)定下來，從而使輸出電壓正比于輸入頻率。電路元件選擇仍參照正輸入V/F轉(zhuǎn)換電路。

　　上圖電路也可偏置，以適應(yīng)任何輸入波形。對于TTL輸入，采用1 000 pF電容和2.2kQ電阻形成負(fù)尖脈沖觸發(fā)單穩(wěn)電路。若輸入緩慢的波形信號，耦合電容和電阻較大，一旦比較器閾值端電位低于-0.6 v的時間長于單穩(wěn)定時時間tos，則單穩(wěn)電路就會在一個輸入信號周期內(nèi)被觸發(fā)多次，從而使F/V轉(zhuǎn)換輸出不連續(xù)。故輸入信號脈沖應(yīng)大于100 ns，但小于0.3×tos（tos由單極性正輸入電壓公式?jīng)Q定）。
　　
　　4，TD650實際應(yīng)用電路
　　
　　v／F和F/V電路應(yīng)用范圍很廣，尤其是TD650。它工作頻率高，抗干擾性強(qiáng)，共模電壓高，非線性度和溫漂低，適用于遠(yuǎn)距離傳輸，且輸入方式靈活，價格低廉，可靠性高，幾乎可以替代目前所有的模塊式v／F和F/V轉(zhuǎn)換電路。下面介紹幾個實際應(yīng)用電路。
　　
　　(1) TD650構(gòu)成廉價、低速度、高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器
　　
　　由v／F電路構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換精度高的特點，主要用于數(shù)字天平、數(shù)字溫度計等測量系統(tǒng)中。
　　
　　TD650工作頻率高，非線性度低，十分適合用作A/D轉(zhuǎn)換器。
　　
　　下圖是TD650構(gòu)成A/D轉(zhuǎn)換器的方框圖。

　　
　　TD650工作于滿度輸出頻率10 kHz，時可構(gòu)成轉(zhuǎn)換周期為1·64 s、分辨率為14位的A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)工作于滿度輸出頻率1 MHz時，可構(gòu)成轉(zhuǎn)換周期為1ms的10位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。
　　
　　(2)溫度一頻率轉(zhuǎn)換電路
　　
　　用TD650與集成溫度傳感器LM35可構(gòu)成溫度一頻率轉(zhuǎn)換電路，如下圖所示。LM35溫度范圍為-55～+155℃，輸出電壓對溫度的變化率為△Vo/△t=10 mV/℃。本電路適于+2～+150℃范圍，此時LM35輸出電壓為20 mV～l.5 V。當(dāng)TD650連接成滿度輸出頻率為10 kHz時，其輸出頻率為20～1 500 Hz．其測量精度為0.4℃。
　　
　　本電路特別適合于遠(yuǎn)距離溫度測量及控制系統(tǒng)。通常，集成溫度傳感器LM35輸出隨溫度變化的電壓信號，直接經(jīng)長線傳輸。由于外界干擾及長距離傳輸，信號衰減十分嚴(yán)重。一般測控系統(tǒng)幾乎無法分辨溫度變化。若將LM35的輸出電壓轉(zhuǎn)變成頻率，并將頻率信號通過光電耦合器傳輸，就可以解決上述問題，同時還能將傳感器與測控部分隔離。

同樣，其他類型的傳感器也可由TD650組成的V/F電路轉(zhuǎn)換為頻率信號，然后經(jīng)過傳輸系統(tǒng)送人接收部分，經(jīng)接收