专利名称：低频频压转换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种频压转换电路，尤其适用于对一些低频段的频率信号
进行快速的频压转换的低频频压转换电路。
技术背景现有技术中，频压转换电路通常采用的是电荷平衡原理，在该原理中 用到一个积分电路，由于积分电路的存在，使得频压转换电路在低频段(1kHz以下)输出特 性会下降，而对于低于200Hz的输入频率，输出特性更会稳剧下降，主要是输出电压纹波峰 值随着输入频率的下降而稳剧增大，甚至将有用的输出信号淹没，造成低频段很大的死区； 由于积分电路的存在，同时为了兼顾低频特性，只能加大积分电路的时间常数，这就造成电 路的响应时间变得非常慢，通常是输入频率信号对应周期时间的大约几十倍到上百倍，比 如一个采集系统，它主要是处理十几Hz 几百Hz的输入信号，为了达到很小的输出电压纹 波峰值，那么这样的电路的响应时间将会达到几秒，甚至到十几秒，而这样的响应时间，对 于任何信号采集系统来说都是无法忍受的。由此可看出，利用电荷平衡原理设计的频压转 换电路的输入频率不能太低，通常在200Hz以上，而一些特定场合，比如电机测速系统中， 对频率的要求主要是几十Hz，最高达几百Hz，低端到几Hz。对于这种使用来说，上述的电路 是无法实现的。 发明内容本发明的目的在于避免现有技术的不足而提供的一种有很好的线性
度和稳定度，并具有很好的时间响应以及很好的输出特性的低频频压转换电路。 为实现上述目的本发明采取的技术方案是所述的低频频压转换电路，有光电隔
离电路，它的作用是将频率输入信号与电路进行电信号隔离，只允许有用的信号通过，将其
它干扰滤除掉； 有波形整形电路，其输入与光电隔离电路输出相接，它的作用是将通过光电隔离 电路采集的有用信号的输入波形的上升沿和上下降沿变得更加陡峭； 有微处理器，其输入与波形整形电路输出相接，它的作用是将经波形整形后的采 集输入信号的周期的时间值换算成对应的输出电压值； 有D/A转换电路，其输入与微处理器输出相接，它的作用是将微处理器得到的输 出电压理论值转换成真实的电压值； 有电压基准电路，它的作用是为D/A转换电路提供高精度电压基准。 本发明的有益效果是所述的低频频压转换电路，采用微处理器控制，用相对简单
的电路实现低频段(1Hz lkHz)的频压转换，具有很好的时间响应、线性度和稳定度，输出
电压纹波峰值也很小，输入极采用了光电隔离和波形整形，可最大限度的提高抗干扰能力。
该电路还可方便的扩展到更低的输入频率，可以用于低频信号的频率采集，比如各种电机
的测速系统。
图l是本发明的电路原理框图 图2是本发明实施例的电路原理图 图3是本发明实施例的微处理器处理过程的流程图 图中频率输入信号Fin 电压输出端Vout 光电耦合器IC1 电压比较器IC2 微处理器IC3 D/A转换电路IC4电压基准电路IC5晶体谐振器X1限流电阻R1第二第四电阻R4第五电阻R5第六电阻R6第七电阻R7第八电 第一电容C1第二电容C2第三电容C3第四电容C4第一脚l 第四脚4反相输入脚3同相输入脚2两个负电源脚1、脚4正 Vcc脚20RST脚1 INTO脚6 GND脚10 X2脚4 XI脚5 Pl. 7脚 〗17 DIN脚1 SCLK脚2 CS脚3 D0UT脚4 ADNG脚5 REFIN脚 .8 IN展卩2 GND展卩4 OUT展卩6 以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详述。
具体实施方式
参照图1，本发明低频频压转换电路，是由光电隔离电路、波形整
电阻R2 第三电阻R3 阻R8 第九电阻R9 第二脚2第三脚3 电源脚8输出脚7 19 P1.6脚18P1.5 6 V0UT肤卩7 ■〖
形电路、微处理器、D/A转换电路、电压基准电路组成。输入频率信号与光电隔离电路相接， 光电隔离电路的输出与波形整形电路相接，波形整形电路的输出与微处理器相接，微处理 器的输出和电压基准电路的输出与D/A转换电路的相接，D/A转换电路的输出直接作为电 压信号输出。所述的光电隔离电路是将频率输入信号与电路进行电信号隔离，只允许有用 的信号通过，将其它干扰滤除掉；所述的波形整形电路是将通过光电隔离电路采集的有用 信号的输入波形的上升沿和上下降沿变得更加陡峭；所述的微处理器是将经波形整形后的 采集输入信号的周期的时间值换算成对应的输出电压值；所述的D/A转换电路是将微处理 器得到的输出电压理论值转换成真实的电压值；所述的电压基准电路是为D/A转换电路提 供高精度电压基准。 参照图2，电路各个部分的内部结构及相互之间的连接关系为频率输入信号Fin 经过限流电阻Rl与光电隔离电路的光电耦器IC1的第一脚1相连，光电耦器IC1的第二脚 2与输入信号的参考地相连，光电耦器IC1的第三脚3接地，光电耦器IC1的第四脚4与作 为波形整形电路的电压比较器IC2的反相输入脚3相连，电压比较器IC2的正电源脚8接 +5V，电压比较器IC2的负电源脚1、脚4接地，电压比较器IC2的反相输入脚3通过第二电 阻R2接+5￥、通过第三电阻R3接地，电压比较器IC2的同相输入脚2通过第四电阻R4接 +5乂、通过第五电阻R5接地，电压比较器IC2的反相输入脚3通过第六电阻R6与输出脚7 相连，电压比较器IC2的输出脚7通过第七电阻R7接+5￥、通过第八电阻R8接地。
所述的微处理器在图2中用IC3表示，微处理器IC3的Vcc脚20接+5V、GND脚10 接地，微处理器电路IC3的X2脚4、 XI脚5跨接一只晶体谐振器XI，并且分别通过第二电 容C2、第三电容C3接地，微处理器IC3的RST脚1通过第一电容Cl接+5￥、通过第九电阻 R9接地，微处理器IC3的INTO脚6接电压比较器IC2的输出脚7，微处理器IC3的Pl. 7脚 19、 Pl. 6脚18、 Pl. 5脚17分别与D/A转换电路IC4的DIN脚1、 SCLK脚2、 CS脚3相连， D/A转换电路IC4的VDD脚8接+5V， ADNG脚5接地，电压基准电路IC5的IN脚2接+5V、 GND脚4接地，OUT脚6通过第四电容C4接地，电压基准电路IC5的OUT脚6与D/A转换电 路IC4的REFIN脚6相连，D/A转换电路IC4的V0UT脚7与电压输出端Vout相连。
本发明由于输入频率较低(《lkHz)，这个频率段对应周期是lms ls，本发明不 是采集频率信号，而是逐个采集周期信号，用微处理器把周期信号的时间值换算成对应的 输出电压值，并在D/A转换器中还原成电压值。这样来实现电路的功能，可以快速的完成频 率到电压的转换，所用的时间，也就是响应时间，是输入频率信号对应周期时间加上O. 2ms， 这对于处理10Hz的信号，其响应时间也只是O. ls。 图2的电路原理如下输入频率信号Fin经光耦ICl进行光电隔离，再经电压比较器IC2的波形整形后送入微处理器IC3的外部中断口 INTO，微处理器对输入脉冲信号进行 处理，将处理结果通过Pl. 5、 PI. 6、 PI. 7组成的串行通讯口发送给D/A转换电路IC4，并由 D/A转换电路IC4将数字信号还原成电压信号做为Vout输出，电压基准电路IC5给D/A转 换电路IC4提供电压基准。 其中，微处理器处理过程的流程图如图3所示选用一个合适的晶体谐振器作为 微处理器的时钟，同时定义了微处理器内部的标准计数时钟，比如对于MSC-51系列微处理 器来说，12MHz的晶体谐振器所确定的标准时钟为1 P s。当每一个脉冲信号到来时，会产生 一个外部中断，微处理器定义一个计数器Timer,当第一个外部中断到来时，微处理器会使 Timer清零，并开始对1 y s的标准时钟计数，每过1 P s， Timer的值会加l，直到第二个外部 中断到来，先停钟，取出计数器Timer的值，并赋值给临时寄存器T，再使Timer清零，重新对 标时钟计数，在等待下一个中断到来之前可以对临时寄存器T的数据进行处理。其实，临时 寄存器T的值就是输入信号的即时周期T，单位为iis，而输入信号的即时频率F二 1/T，单 位为腿z，而输出电压Vout正比于基准电压Vref ，也正比于输入信号的频率F，选取一个合 适的比例因子K，作如下计算
Vout = K X Vref X F = K X Vref/T 计算公式中T是微处理器编程时定义的变量，用以记录Time的计数结果，其值也 是输入信号的即时周期，单位为P s ; F是一个中间变量，输入信号的频率，单位为腿z ;
K是计算公式中引入的一个比例因子；
Vref是频压转换电路的外加基准电压。 微处理器把计算结果通过指令控制D/A转换电路的输出电压。以后每个中断到来 时均作以上处理，周而复始。 本发明所用主要器件说明及选择图1、图2、图3中，D/A为数字-模拟变换器； 微处理器，也就是单片机，本实施例以Ateml公司生产的MSC-51系列单片机为例；INT0为 MSC-51系列单片机的0号外部中断口的标识；Pl. 5为MSC-51系列单片机的8位输入输出 口 PI的第5位；Timer为单片机编程时定义的变量，用以记录对标准时钟的计数值；Pl. 6为 MSC-51系列单片机的8位输入输出口 PI的第6位；Pl. 7为MSC-51系列单片机的8位输入 输出口 PI的第7位；光电耦合器ICl可用MOTOROLA公司的4N25 ;电压比较器IC2可用ST 公司的LM311 ;微处理器IC3可用Ateml公司的AT89C2051， D/A转换电路IC4可用MAXIM 公司的MAX515 ;电压基准电路IC5可用MOTOROLA公司的MC1403。 本发明所用元器件的参数是(仅供参考)Xl = 12.000MHz ;Rl = 820 Q ;R2 = 10k Q ;R3 = 20k Q ;R4 = 20k Q ;R5 = 10k Q ;R6 = 100k Q ;R7 = 10k Q ;R8 = 100k Q ;R9 =10k Q ;Cl = 10 ii F ;C2 = 30pF ;C3 = 30pF ;C4 = 0. 01 ii F。
权利要求
低频频压转换电路，其特征是有光电隔离电路，是将频率输入信号与电路进行电信号隔离，只允许有用的信号通过，将其它干扰滤除掉；有波形整形电路，其输入与光电隔离电路输出相接，是将输入波形的上升沿和上下降沿变得陡峭；有微处理器，其输入与波形整形电路输出相接，是将采集输入信号的周期的时间值换算成对应的输出电压值；有D/A转换电路，其输入与微处理器输出相接，是将微处理器得到的输出电压理论值转换成真实的电压值；有电压基准电路，是为D/A转换电路提供电压基准。
2. 根据权利要求l所述的低频频压转换电路，其特征是频率输入信号(Fin)经过限 流电阻(Rl)与光电隔离电路的光电耦器(IC1)的第一脚(1)相连，光电耦器(IC1)的第二 脚(2)与输入信号的参考地相连，光电耦器(IC1)的第三脚(3)接地，光电耦器(IC1)的 第四脚(4)与作为波形整形电路的电压比较器(IC2)的反相输入脚(3)相连，电压比较器 (IC2)的正电源脚(8)接+5V，电压比较器(IC2)的负电源脚(1)、脚(4)接地，电压比较器 (IC2)的反相输入脚(3)通过第二电阻(R2)接+5V、通过第三电阻(R3)接地，电压比较器 (IC2)的同相输入脚(2)通过第四电阻(R4)接+5V、通过第五电阻(R5)接地，电压比较器 (IC2)的反相输入脚(3)通过第六电阻(R6)与输出脚(7)相连，电压比较器(IC2)的输出脚(7) 通过第七电阻(R7)接+5V、通过第八电阻(R8)接地；微处理器(IC3)的Vcc脚(20)接 +5乂，脚(10)接地，微处理器(IC3)的X2脚(4)、Xl脚(5)跨接一只晶体谐振器(XI)， 并且分别通过第二电容(C2)、第三电容(C3)接地，微处理器(IC3)的RST脚(1)通过第一 电容(Cl)接+5V、通过第九电阻(R9)接地，微处理器(IC3)的INT0脚(6)接电压比较器 (IC2)的输出脚(7)，微处理器(IC3)的Pl. 7脚(19) 、Pl. 6脚(18) 、Pl. 5脚(17)分别与D/ A转换电路(IC4)的DIN脚(1)、SCLK脚(2)、CS脚(3)相连，D/A转换电路(IC4)的VDD脚(8) 接+5V，ADNG脚(5)接地，电压基准电路(IC5)的IN脚(2)接+5V、GND脚(4)接地，0UT 脚(6)通过第四电容(C4)接地，电压基准电路(IC5)的0UT脚(6)与D/A转换电路(IC4) 的REFIN脚(6)相连，D/A转换电路(IC4)的V0UT脚(7)与电压输出端(Vout)相连。
全文摘要
本发明公开了一种低频频压转换电路，有光电隔离电路，是将频率输入信号与电路进行电信号隔离，只允许有用的信号通过，将其它干扰滤除掉；有波形整形电路，其输入与光电隔离电路输出相接，是将输入波形的上升沿和上下降沿变得更加陡峭；有微处理器，其输入与波形整形电路输出相接，是将采集输入信号的周期的时间值换算成对应的输出电压值；有D/A转换电路，其输入与微处理器输出相接，是将微处理器得到的输出电压理论值转换成真实的电压值；有电压基准电路，是为D/A转换电路提供电压基准。本发明在低频段(1Hz～1kHz)具有很好的线性度和稳定度，并具有很好的时间响应以及很好的输出特性。
文档编号H03B28/00GK101764573SQ20091011773
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者文世博, 王晓彤 申请人:天水华天微电子股份有限公司