模拟电路的设计 电压频率转换电路

经典的LM331是一个很好的学习工具，当它涉及到电压到频率的转换时——这是模拟设计的主要支柱之一。

鲍勃·皮斯特别喜欢电压-频率转换电路。如果你想测量一个远程位置的电压，可能更容易在长电线上发送一系列脉冲，而不是发送电压本身。这些脉冲对噪音更有抵抗力，你可以从脉冲信号中清除噪声，而不是试图从纯模拟电压中剔除噪声。vto - f电路也有很大的动态范围，并将在几十年的频率中工作。

测量脉冲序列的频率仅仅需要一个微控制器或逻辑电路使用一个便宜的精确晶体。这比测量电压更划算，因为你需要一个精确的参考芯片。

尽管如此，您的系统仍然可能有一个准确的引用。当我在惠普设计汽车诊断设备时，我注意到，“你需要一个rock和一个ref。”这是一个简单的简写，说你需要一个石英晶体振荡器准确的时间，和一个好的参考测量电压。用这两种方法，你可以推导出电流和功率，以及你想测量的其他任何东西。在某种程度上，使用vto - f转换器意味着您将对感测芯片的引用需求。如果你能开发一个精确的vto - f电路，那么你就不需要一个单独的参考芯片。

说vto - f有很大的动态范围是说输出是非常线性的。它是精确的在广泛的输入电压和输出频率。与确保采样数据系统在输入电压范围内保持精确的头痛相比，这是一个很大的问题。一旦你向一个系统增加了衰减和范围放大器，事情就变得非常困难和复杂。

我试着用模拟开关在我工作的HP诊断设备上做一个衰减器。我在杂散电容和精度问题上有各种各样的问题，所以我把Jim Williams叫做线性技术，现在是模拟装置的一部分。他问我在我的Tektronix范围内改变垂直范围时听到了什么。我说我听到继电器点击。威廉姆斯说，他们使用继电器，因为在高频率和电压下，固态衰减器几乎是不可能的。使用vto - f转换器可以省去所有这些麻烦。

要理解vto - f转换，LM331数据表是一个很好的起点。应用程序部分是由Pease编写的。德州仪器公布的几份申请报告也很可能是由皮斯写的。这些注释都链接到LM331产品页面上。基本的应用说明，“多功能的单片V/Fs可以计算和转换精度高，”在1980年发布，与此同时。该应用程序的说明显示了该部分的简单和详细的框图(图1和图2)。

你也可以使用LM331制造一个频率-电压转换器。该应用说明“频率-电压转换器使用采样和保持来改善响应和波纹”显示了如何在保持快速响应时间的同时移除电路的输出纹波。你可以把它想象成同步解调的一种形式。它在波纹波形的同一点采样输出电压。本说明建立在基本的F-to-V应用程序说明上，“V/F转换器ICs处理频率-电压需求”。

在基本的vto -f转换器的另一个鞋面是电流-频率转换器。还有另一个不错的应用说明，“宽量程的电流-频率转换器”。这款应用程序说明了如何在LM331的固有宽动态范围内构建能够工作到输入电流的picoamperes的电路。虽然你必须增加大量的电路来获得这个性能，但它是LM331的多功能性的证明。

通过我的家庭实验室的抽屉，我发现了Boldport(图3)的人给我的LM331电压-频率集成电路演示板(图3)，Boldport的电子艺术家Saar Drimer博士，将电路板封装在一个方便的工具包中，你可以从他的网站上购买。这个工具包有一个Bob Pease引用“我最喜欢的编程语言是solder。该工具包基于LM331数据表的图20(图4)。

Drimer增加了一个输出LED，这样你就可以看到输出频率的变化。另一个不同之处在于，当Pease被称为光敏晶体管时，Drimer的试剂盒使用的是光传导电池。Drimer也放慢了频率，这样你就能看到LED的闪烁。Micah Scott有一个视频制作的工具包:

我们大多数人都听说过STEM(科学、技术、工程和数学)。我第一次听到“蒸汽”这个词是来自我在邪恶的疯狂科学家的朋友们。添加的“A”代表“艺术”。Boldport是工程艺术方面的倡导者，LM331 Pease PCB(印刷电路板)上的古怪痕迹就是明证。虽然电路的艺术方面似乎正在蓬勃发展，但很高兴知道像吉姆·威廉姆斯这样的模拟天才在几十年前就用电子电路制作了作品。威廉姆斯的好朋友，马克西姆综合公司的莱恩·谢尔曼，甚至编了一本各种威廉姆斯作品的书(图5)。

我们模拟人也知道，电路理论和数学基础上有艺术。比起使用LM331，从Microchip、TI或NXP中购买一个便宜的微控制器可能更容易。事情是这样的，LM331的设计和实现是值得理解的，这样你就知道了模拟设计的原理。当芯片来来去去，模拟的原理是永恒的。