AD650：高性能電壓 - 頻率/頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器的深度剖析

在電子工程師的日常設(shè)計中，電壓 - 頻率（V/F）和頻率 - 電壓（F/V）轉(zhuǎn)換器是非常重要的器件。今天，我們就來詳細(xì)探討一下Analog Devices公司的AD650，這是一款集高頻率運行和低非線性于一體的轉(zhuǎn)換器，它的出現(xiàn)為眾多應(yīng)用場景提供了出色的解決方案。

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一、AD650的特性與優(yōu)勢

1. 卓越的性能指標(biāo)

AD650能夠?qū)崿F(xiàn)高達1 MHz的V/F轉(zhuǎn)換，且具有極低的非線性。在不同頻率下，其非線性表現(xiàn)出色，例如在10 kHz時典型值為0.002%，100 kHz時為0.005%，1 MHz時為0.07%。這種低非線性使得它在高精度的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換中表現(xiàn)優(yōu)異，可實現(xiàn)約14位的線性度。

2. 靈活的輸入配置

它支持單極性、雙極性或差分V/F轉(zhuǎn)換，還支持V/F或F/V轉(zhuǎn)換。輸入信號范圍和滿量程輸出頻率可通過兩個外部電容和一個電阻進行用戶編程，輸入失調(diào)電壓也能通過外部電位器調(diào)零。

3. 兼容性與可靠性

AD650與CMOS或TTL兼容，采用開集電極輸出和獨立的數(shù)字地，便于與標(biāo)準(zhǔn)邏輯系列或光耦合器進行簡單接口。此外，它還有符合MIL - STD - 883標(biāo)準(zhǔn)的版本，適用于對可靠性要求極高的應(yīng)用場景。

4. 多領(lǐng)域應(yīng)用潛力

除了模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換，AD650還可用于隔離模擬信號傳輸、鎖相環(huán)電路和精密步進電機速度控制器等。在F/V模式下，可用于精密轉(zhuǎn)速計和FM解調(diào)器電路。

二、電路操作原理

1. 單極性配置

AD650是一種電荷平衡式電壓 - 頻率轉(zhuǎn)換器。輸入信號通過輸入電阻(R_{IN})轉(zhuǎn)換為等效電流，該電流由內(nèi)部1 mA電流源以短定時脈沖的形式提供的內(nèi)部反饋電流精確平衡。這些電流脈沖可視為精確的電荷包，單位時間內(nèi)傳遞的電荷包數(shù)量取決于輸入信號的幅度，從而實現(xiàn)線性的電壓 - 頻率轉(zhuǎn)換。

2. 詳細(xì)的工作過程

從電路的工作過程來看，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出為低電平時，電流轉(zhuǎn)向開關(guān)(S{1})將所有電流轉(zhuǎn)移到運算放大器的輸出端，這是積分階段；當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā)且輸出為高電平時，開關(guān)(S{1})將所有電流轉(zhuǎn)移到運算放大器的求和節(jié)點，這是復(fù)位階段。在積分階段，正輸入電壓產(chǎn)生的電流對積分電容(C{INT})充電，當(dāng)積分器輸出電壓越過比較器閾值（ - 0.6 V）時，比較器觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的時間周期(t{OS})由單穩(wěn)態(tài)電容(C_{OS})決定。

三、組件選擇要點

1. 關(guān)鍵組件確定

用戶只需選擇四個組件值，即輸入電阻(R{IN})、定時電容(C{OS})、邏輯電阻(R{2})和積分電容(C{INT})。其中，(R{2})作為上拉電阻，應(yīng)選擇合適的值以將輸出晶體管的電流限制在8 mA以內(nèi)。(R{IN})和(C{OS})用于設(shè)置滿量程頻率以適應(yīng)給定的信號范圍，一般來說，較大的(C{OS})值和較低的滿量程輸入電流（較高的(R_{IN})值）可提供更好的線性度。

2. 積分電容計算

積分電容(C{INT})可通過公式(C{INT}=frac{10^{-4} F / sec}{f{MAX}})（最小值為1000 pF）計算。使用合適的(C{INT})值時，AD650的電荷平衡架構(gòu)可對輸入信號進行連續(xù)積分，從而有效抑制大量的噪聲和干擾。但如果積分器階段因過大的噪聲脈沖而飽和，信號的連續(xù)積分將被中斷，導(dǎo)致噪聲出現(xiàn)在輸出端。

四、不同配置下的應(yīng)用

1. 雙極性V/F轉(zhuǎn)換

在雙極性V/F轉(zhuǎn)換中，內(nèi)部雙極性電流源用于為±5 V信號范圍提供半量程偏移，同時實現(xiàn)100 kHz的最大輸出頻率。通過在引腳4和引腳5之間連接1.24 kΩ電阻來激活標(biāo)稱0.5 mA（±10%）的偏移電流源。組件選擇遵循單極性配置的指導(dǎo)原則，但輸入電阻(R_{IN})的值由輸入電壓跨度決定。

2. 負(fù)輸入電壓的單極性V/F轉(zhuǎn)換

對于負(fù)輸入電壓的單極性V/F轉(zhuǎn)換，滿量程輸出頻率出現(xiàn)在負(fù)滿量程輸入時，零輸出頻率對應(yīng)零輸入電壓。這種配置可使用高阻抗信號源，因為它僅驅(qū)動同相積分器輸入。

3. F/V轉(zhuǎn)換

AD650還可作為非常線性的頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器。輸入信號每次越過比較器閾值時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被激活，將1 mA電流切換到積分器輸入一段時間（由(C{OS})決定）。隨著頻率增加，注入積分電容的電荷量成比例增加，當(dāng)通過(R{1})和(R_{3})的泄漏電流等于切換到積分器的平均電流時，積分電容上的電壓穩(wěn)定，最終輸出平均電壓與輸入頻率成正比。

五、高頻操作與注意事項

1. 高頻操作要求

在接近或達到1 MHz的最大頻率下操作AD650時，必須遵循適當(dāng)?shù)?a href="http://m.sdkjxy.cn/tongxin/rf/" target="_blank">RF技術(shù)。引腳長度應(yīng)盡可能短，特別是單穩(wěn)態(tài)和積分電容以及積分器求和節(jié)點處。在最大輸出頻率高于500 kHz時，需要從引腳1到(-V_{S})連接一個3.6 kΩ的下拉電阻，以降低運算放大器的輸出阻抗并改善其瞬態(tài)響應(yīng)。

2. 去耦和接地

使用旁路電容對電源引腳進行旁路，并在電源線中插入小阻值電阻（10 Ω至100 Ω），以提供系統(tǒng)中各個電路之間的去耦。在每個電源線上靠近AD650的位置應(yīng)放置一個1 μF至10 μF的較大板級去耦電容。AD650提供獨立的數(shù)字和模擬地，以隔離高精度模擬信號和電路的數(shù)字部分，有效處理開關(guān)大電流時產(chǎn)生的接地噪聲。

3. 溫度系數(shù)影響

AD650的漂移規(guī)格不包括支持電阻或電容的溫度影響。輸入電阻(R{1})、(R{3})和定時電容(C_{OS})的漂移直接影響整體溫度穩(wěn)定性。在雙極性配置中，用于激活內(nèi)部雙極性偏移電流源的1.24 kΩ電阻的漂移直接影響該電流的值。

4. 非線性規(guī)格

AD650的線性誤差通過端點法指定，即在校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器的滿量程和零值后，誤差以偏離理想電壓 - 頻率傳輸關(guān)系的形式表示。非線性隨單穩(wěn)態(tài)電容和輸入電阻的選擇而變化，驗證線性規(guī)格需要可切換電壓源（或DAC），且線性誤差低于20 ppm，并使用很長的測量間隔以最小化計數(shù)不確定性。

5. 電源抑制比（PSRR）

PSRR是指電源電壓變化時AD650增益的變化，以增益的百萬分之一變化每電源百分比變化（ppm/%）為單位。PSRR是滿量程工作頻率的函數(shù)，在低滿量程頻率下，PSRR由器件中參考電路的穩(wěn)定性決定，效果較好；在較高頻率下，動態(tài)誤差變得更為重要，PSRR效果稍差。

6. 其他電路考慮

連接到引腳1、2和3的輸入放大器經(jīng)過優(yōu)化，與標(biāo)準(zhǔn)運算放大器有所不同。輸出只能向負(fù)電源吸收1 mA電流，沒有下拉階段。反相輸入經(jīng)過偏置電流補償，而同相輸入沒有。放大器有調(diào)整輸入失調(diào)電壓的功能，可通過電位器或注入小電流的方式進行調(diào)整。

六、應(yīng)用案例

1. 差分電壓 - 頻率轉(zhuǎn)換

該電路可接受真正的浮動差分輸入信號，共模輸入(V{CM})范圍為 + 15 V至 - 5 V，信號輸入(V{IN})相對于共模輸入可為±5 V。根據(jù)需要，可使用不同電壓的齊納二極管來調(diào)整共模電壓范圍。

2. 自動調(diào)零電路

為了充分利用AD650的動態(tài)范圍，需要精確測量非常小的輸入電壓。自動調(diào)零電路使用AD582采樣保持放大器控制失調(diào)，通過AD7512DI模擬開關(guān)將VFC的輸入電壓在接地和待測量信號之間切換。通過向引腳13注入或抽取電流來調(diào)整AD650的失調(diào)。

3. 鎖相環(huán)F/V轉(zhuǎn)換

對于信號頻率響應(yīng)超過2 kHz的應(yīng)用，推薦使用鎖相環(huán)F/V轉(zhuǎn)換技術(shù)。在鎖相環(huán)電路中，振蕩器被驅(qū)動到與輸入?yún)⒖夹盘栂嗤念l率和相位。AD650作為振蕩器，具有緊湊的尺寸和寬動態(tài)范圍，適用于FM解調(diào)等應(yīng)用。

七、總結(jié)

AD650是一款功能強大、性能卓越的電壓 - 頻率/頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器。它在高精度測量、信號傳輸和控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過合理選擇組件和遵循正確的操作方法，工程師們可以充分發(fā)揮AD650的優(yōu)勢，設(shè)計出高性能的電子系統(tǒng)。你在使用AD650的過程中遇到過哪些問題呢？或者你對它的應(yīng)用有什么獨特的見解，歡迎在評論區(qū)分享。