具有V/F和F/V综合性芯片TD650与单片机接口及程序设计

　　TD650是高精度、高频型单片集成电压／频率(V/F)和频率／电压(F／V)转换电路。主要特点有：
　　
　　①工作频率高，最高工作频率可达1 MHz。
　　
　　②非线性和温漂低。满度输出频率为10 kHz时，非线性度典型值为0.002%，最大值为0.005%，温漂小于±7.5×10(-5)/℃。
　　
　　③输入电压范围大，输入方式可以是单极性、双极性、差动输入电压或单极性输入电流。
　　
　　④频率输出采用输出管集电极开路输出，其上拉电阻可接+30 V、+15 V或+5 V电源，并可与TTL或CMOS电路兼容。
　　
　　⑤外围电路结构简单，既可作V／F转换，又可作F／V转换。
　　
　　⑥具有独立的数字地与模拟地。
　　
　　TD650可构成廉价、高分辨率、低速A/D和D/A转换器、远距离隔离信号传输电路、锁相环路、调制解调电路、窄带滤波电路、精密转速表、马达转速控制电路等，被广泛应用于计算机、精密测量、仪器仪表、通信、雷达及航空航天等领域。
　　
　　TD650与美国AD650的功能、外形、封装形式、引线排列完全相同，可互换使用。

一、TD650芯片
　　
　　1．TD650性能及组成
　　
　　TD650采用陶瓷14脚DIP型封装，其功能框图及引脚排列如图1所示。

　　
　　TD650主要由运算放大器、比较器、单稳定时电路及方位开关等组成。
　　
　　2．TD650的基本工作原理
　　
　　TD650属电荷平衡型V／F和F/V转换器。下面着重介绍其V／F转换的工作原理。
　　
　　为了分析方便起见，采用图2(a)所示的简化电路。当单稳电路被触发，其输出为高电平时，转换开关Sl转向运放的电流相加点，此过程称为积分器的复位过程；当单稳电路输出为低电平时，电流转换开关S．转向运放的输出端，电流源便连接到运放的输出端，此过程称为积分器的积分过程。两个不同的过程分别示于图2(b)和图2(c)。
　　
　　当输人为正电压时，输入电流为IIN=VIN/RIN，给积分电容CINT充电，积分器的输出电位不断下降；当积分器的输出电位降到比较器的阈值电位-0.6 V时，比较器状态翻转，触发单稳电路进入暂态，开始复位过程。此时0.5 mA的恒流源连接到COS上，使COS电位线性下降。当COS上电位降至-3.4 V时，单稳电路复位，结束暂态，进入稳态。单稳电路的定时时间由COS决定的时间和门延迟时间TG(约300 ns)决定，即

　　
　　积分器复位过程的上升电压见图2(b）

　　复位过程结束后，开始积分过程(见图2(c)）．其积分时间为

　　
　　则输出频率
　　
　　

式中：fo单位为Hz。
　　
　　由上式可知，当输入电阻RIN、定时电容C0s -定时，输出频率fo正比于输入电压VIN，与积分电容CINT无关，而CINT只决定积分器输出锯齿波的高度。
　　
　　3．TD650基本应用电路
　　
　　(1)单极性正输入电压V/F转换电路
　　
　　TD650单极性正输入电压V/F转换电路如图3所示。电路中，只有4个元件：输入电阻RIN、单稳定时电容Cos、输出管上拉电阻R2和积分电容CINT．须根据使用情况确定。
　　
　　上拉电阻R2作限制频率输出管输出电流用，使其小于8 mA。如若采用逻辑电源为VL=5V，输出管饱和压降为0.4 V，则R2应大于(5 V-0.4 V)/8 mA=575 Q．取R2为625 Ω。
　　
　　输入电阻RIN和单稳定时电容Cos取决于输入电压范围和满度输出频率，参见图4。

　　从图中可知，RIN和Cos值越大，则非线性度越低。该图虽然是建立在单极性0～10 V输入电压范围基础上，但其结果也可推广到其他输入方式和输入电压范围。如对于100 kHz满度频率输出（对应于0～10 V输入），若RIN =20 kQ，则Cos= 620 pF，从而得到最低的非线性度为0. 003 8%。而非线性度为20×l0-5所能得到的最大满度输出频率为33 kHz。此时，RIN=40.2 kΩ，Cos =1 000 pF。
　　
　　对输入信号范围不是0~10 V的情况，输入电阻值也必须同时随输入信号范围成比例变化。若为O～10 V电压范围时，RIN为100 kΩ；则0～1V范围时，
　　
　　RIN应为10 kΩ;±lo V双极性输入时，则须用200 kΩ。
　　
　　对积分电容CINT的选定，在几乎所有的情况下，最优值CIIT可用下式计算：

　　
　　(2)单极性负输入电压V/F转换电路
　　
　　负输入电压V/F转换电路如图4所示。本电路在输入电压-10～0 V范围内，对应输出100～0 kHz频率方波。

　　
　　此电路采用同相输入，故其输入阻抗较高（约1 GΩ以上）。对于图3-120电路，积分电流必须由信号源提供，而此电路则是由模拟地提供的。电路元件的选择与正输入电路相同。
　　
　　(3)双极性输入电压V/F转换电路
　　
　　双极性输入电压V/F转换电路如图5所示。当输入电压为-5～+5 V时，输出频率为0～100 kHz。

　　
　　由于输入-5 V时，输出为零，因此，运放3端电位应偏置于最大负电压。而3端与2端电位相等，故可通过预置2端的电位来适应不同的输入电压。恒流源电流I0由电阻R5决定，它与R5的关系见下图，Jo的误差约为10%。于是，2端的电位V2=-IR4×R4=Jo×R4。故改变Rs值，即可在2、3端得到不同的预置电位。当R5=1.24 kΩ时，Io=0.5 mA，则V2=V3=-IO×R4 =-5 V。若VIN=+5 V，则IIN =0. 25 mA;若VIN=-5 V，则IIN=O。
　　
　　电路元件仍可参照单极性正输入电压V/F转换电路选择。
　　
　　(4)差动输入电压V／F转换电路
　　
　　下图是差动输入电压V／F转换电路图。共模输入电压VCM对模拟地的电压范围是+15～-5 V，输入信号电压VIN相对于VCM的电压范围是±5V。两个输入端均为低输入阻抗，驱动共模输入端的信号源必须能够提供0.5 mA电流。信号输入端也须提供足够的积分电流。
　　
　　如果共模电压范围较小，则可以使用较小值的稳压二极管。如若使用5V的稳压二极管，则VCM的范围为-10～+5 V。如果不使用稳压二极管，对模拟地的共模输入电压范围是±5V，同时10kΩ的电阻也可省去不用，积分器输出端1可直接连接到比较器的输入端9。

　　
　　(5)高频应用
　　
　　下图是TD6501 MHz V／F转换电路图。
　　
　　当TD650工作频率接近1 MHz时，其电路布线很重要。元件连接应尽可能短，特别是单稳定时电路、积分电容和积分器相加点处的连接。当满度
　　
　　输出频率高于500 kHz时，1脚与5脚间须接一只3.6kΩ的下偏置电阻，以减小运放的输出阻抗，改善静态响应。

　　
　　(6) F／V转换电路
　　
　　TD650除可完成V/F转换外，还可实现线性很好的F/V转换，下图是输入TTL逻辑电平时的F/V转换电路图。
　　
　　当比较器输入端信号变负时，微分电路输出负脉冲，单稳电路被触发，同时它又控制1 mA的恒流源，以给定的时间周期（由tos决定）接到积分器输入端。输入频率越高，注入到积分电容器上的电荷越多，输出电压就越高。当积分器的输入端平均电流等于流过R1、R3上的电流时，输出便稳定下来，从而使输出电压正比于输入频率。电路元件选择仍参照正输入V/F转换电路。

　　上图电路也可偏置，以适应任何输入波形。对于TTL输入，采用1 000 pF电容和2.2kQ电阻形成负尖脉冲触发单稳电路。若输入缓慢的波形信号，耦合电容和电阻较大，一旦比较器阈值端电位低于-0.6 v的时间长于单稳定时时间tos，则单稳电路就会在一个输入信号周期内被触发多次，从而使F/V转换输出不连续。故输入信号脉冲应大于100 ns，但小于0.3×tos（tos由单极性正输入电压公式决定）。
　　
　　4，TD650实际应用电路
　　
　　v／F和F/V电路应用范围很广，尤其是TD650。它工作频率高，抗干扰性强，共模电压高，非线性度和温漂低，适用于远距离传输，且输入方式灵活，价格低廉，可靠性高，几乎可以替代目前所有的模块式v／F和F/V转换电路。下面介绍几个实际应用电路。
　　
　　(1) TD650构成廉价、低速度、高分辨率A/D转换器
　　
　　由v／F电路构成的A/D转换器，具有转换精度高的特点，主要用于数字天平、数字温度计等测量系统中。
　　
　　TD650工作频率高，非线性度低，十分适合用作A/D转换器。
　　
　　下图是TD650构成A/D转换器的方框图。

　　
　　TD650工作于满度输出频率10 kHz，时可构成转换周期为1·64 s、分辨率为14位的A/D转换器。当工作于满度输出频率1 MHz时，可构成转换周期为1ms的10位分辨率的A/D转换器。
　　
　　(2)温度一频率转换电路
　　
　　用TD650与集成温度传感器LM35可构成温度一频率转换电路，如下图所示。LM35温度范围为-55～+155℃，输出电压对温度的变化率为△Vo/△t=10 mV/℃。本电路适于+2～+150℃范围，此时LM35输出电压为20 mV～l.5 V。当TD650连接成满度输出频率为10 kHz时，其输出频率为20～1 500 Hz．其测量精度为0.4℃。
　　
　　本电路特别适合于远距离温度测量及控制系统。通常，集成温度传感器LM35输出随温度变化的电压信号，直接经长线传输。由于外界干扰及长距离传输，信号衰减十分严重。一般测控系统几乎无法分辨温度变化。若将LM35的输出电压转变成频率，并将频率信号通过光电耦合器传输，就可以解决上述问题，同时还能将传感器与测控部分隔离。

同样，其他类型的传感器也可由TD650组成的V/F电路转换为频率信号，然后经过传输系统送人接收部分，经接收