电压-时间转换器可提高A/D转换的速度和线性度并降低成本 设计师, 转换器, 成本, 时间段

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关键字：电压-时间转换器   A/D转换   VFC  
在要求严格单调响应、高分辨率、较低噪声和适中速度的数据采集系统中，设计师们都喜欢使用VFC(电压-频率转换器)进行A/D转换。VFC可以产生一个频率与输入电压成正比的脉冲列。然后，微控制器或逻辑会将一个固定时间段设为门并计算该段时间内通过门的脉冲数，从而将频率转换成一个数字。
这种方法的主要缺点是，为了提高速度，设计师们必须在高频率状态下运行VFC，造成线性度性能下降。

在本设计实例中，电路将输入电压转换为一个均衡的时间间隔，然后，微控制器会利用这一时间间隔计算来自其内部时钟的脉冲，而结果着实令人赞叹：


● 由于电压-时间转换器在低频状态下运行，带来了良好的线性度；
● 较高的时钟频率使得A/D转换速度较快；
● 程序或逻辑变得更简单，因为它仅需计算时钟脉冲，具有门控电路；
● 价格低廉。

重点在于增加计数频率不会影响A/D转换的线性度，而增加VFC的频率往往意味着线性度会变得更糟。

在图1给出的电路中使用的是改良VFC架构(参考文献1)，其中的输入电压VIN和参考电压VREF的角色得到了互换。R1-R2网络可切换输入电压，因此网络中总是有高于参考电压的正电压，并维持了适当的操作条件。该电路使用了4066部件的所有开关：两个并联的开关构建S1可降低不完善的开关平整度对线性度的影响，S2处有一个开关，最后一个开关位于启动电路中，与CINT并联，在初始化过程中由逻辑控制，如参考文献1中所示。



图1：使用改良VFC架构的电路，其中的输入电压适用于参考电压终端，反之亦然。


电路上电后，启动电路会使CINT短路一段时间，而单稳态(one-shot)电路会通过内部电路进行复位。然后，开关S1开启、S2关闭。RINT左侧连接至地面，右侧得到0.2V的电位。启动时间结束后，与CINT并联的开关开启，电容器开始充电。此时，积分电路电压呈上升趋势；当上升至2.5V左右的阈值时就会触发单稳态电路。开关S1关闭、S2开启。RINT的右侧获得依赖于输入电压的正电位，但其值始终大于0.2V。通过RINT的电流方向发生回转，CINT开始放电。当单稳态时间结束后，此循环会继续重复。

当输入电压从0V升至5V时，输出周期也会从78μs升至578μs。集成电容器CINT和单稳态电路施密特输入的阈值水平不会参与此时间段与电压的相对关系。在此期间，10MHz的时钟脉冲可生成780~5780的数字—每毫伏一个计数。线性度为一个计数或±0.02％，由于最大频率仅为12.8kHz，此点也就不足为奇。A/D转换最多需要578μs，是1MHz VFC的8.65倍(1MHz VFC计数1μs的5000个脉冲需要5000μs的时间)。其接口程序简短、简单，与参考文献2所述类似。

由于输入电压的移位，校准需要做一些重复工作：使用单稳态电路的电位器将灵敏度调至100μs/V。单稳态电路脉冲的标称持续时间为26μs。取消控制器中的780个计数抵消。

从表1可看出，电压-时间转换方法要明显优于V-F转换方法(参考文献3、4)。但目前还没有芯片制造商提供此种类型的转换器。




参考文献

1. Dimitrov J., Inexpensive VFC features good linearity and dynamic range. EDN, Design Ideas, Dec 1, 2011, pp.47-48.

2. Dimitrov J., Linearize optical distance sensors with a voltage-to-frequency converter. EDN, Design Ideas, Apr 19, 2012, pp.47-48.

3. AD650 voltage-to-frequency and frequency-to-voltage converter.

4. VFC320 voltage-to-frequency and frequency-to-voltage converter.