LM2907頻率／電壓轉(zhuǎn)換器原理及應(yīng)用

１ 引言

在測量轉(zhuǎn)速（頻率）時，目前多采用數(shù)字電路，但有些場合則需要轉(zhuǎn)速（頻率）的變化與模擬信號輸出相對應(yīng)，這樣便可在自動控制系統(tǒng)實驗中用頻／壓轉(zhuǎn)換器件代替測速發(fā)電機(jī)，從而使實驗設(shè)備簡化。美國國家半導(dǎo)體公司推出的速度（頻率）／電壓轉(zhuǎn)換芯片ＬＭ２９０７／ＬＭ２９１７只需接少量的外圍元件即可構(gòu)成模擬式轉(zhuǎn)速表，可用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)汽車超速報警等。

２ ＬＭ２９０７芯片介紹

ＬＭ２９０７為集成式頻率／電壓轉(zhuǎn)換器，芯片中包含了比較器、充電泵、高增益運算放大器，能將頻率信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號。ＬＭ２９１７ 與ＬＭ２９０７基本相同，區(qū)別是：ＬＭ２９１７內(nèi)部有一只穩(wěn)壓管，用于提高電源的穩(wěn)定性。

２．１ 主要特點

ＬＭ２９１７進(jìn)行頻率倍增時只需使用一個ＲＣ網(wǎng)絡(luò)；以地為參考點的轉(zhuǎn)速計（頻率）輸入可直接從輸入管腳接入；運算放大器／比較器采用浮動三極管輸出；最大５０ｍＡ的輸出電流可驅(qū)動開關(guān)管、發(fā)光二極管等；內(nèi)含的轉(zhuǎn)速計使用充電泵技術(shù)，對低紋波有頻率倍增功能；比較器的滯后電壓為３０ｍＶ?利用這個特性可以抑制外界干擾；輸出電壓與輸入頻率成正比，線性度典型值為０．３％；具有保護(hù)電路，不會受高于Ｖｃｃ值或低于地參考點輸入信號的損傷；在零頻率輸入時，ＬＭ２９０７的輸出電壓可根據(jù)外圍電路自行調(diào)節(jié)；當(dāng)輸入頻率達(dá)到或超過某一給定值時，可將輸出用于驅(qū)動繼電器、指示燈等負(fù)載。

２．２ 電性能參數(shù)

ＬＭ２９０７的主要電性能參數(shù)如表１所列：

表1 LM2907的主要電性能參數(shù)（Vcc=12VDC,TA=25）

２．３ 引腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ＬＭ２９０７／ＬＭ２９１７有ＤＩＰ８ 和ＤＩＰ１４兩種封裝形式。ＬＭ２９０７的ＤＩＰ１４的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示，ＤＩＰ ８的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各引腳功能可參考圖２。各引腳功能如下：

●１腳（Ｆ）和１１腳（ＩＮ－）為運算放大器／比較器的輸入端；

●２腳接充電泵的定時電容（Ｃ１）；

●３腳接充電泵的輸出電阻和積分電容（Ｒ１／Ｃ２）；

●４腳（ＩＮ＋）和１０腳（ＵＦ１）為運算放大器的輸入端；

●５腳為輸出晶體管的發(fā)射極（Ｕ０）；

●８腳為輸出晶體管的集電極，一般接電源（ＵＣ）；

●９腳為正電源端（ＶＣＣ）；

●１２腳為接地端（ＧＮＤ）；

●６，７，１３，１４腳未用。

圖2

２．４ 工作原理

當(dāng)充電泵把從輸入級輸入來的頻率轉(zhuǎn)換成為直流電壓時，需外接定時電容Ｃ１、輸出電阻Ｒ１以及積分電容或濾波電容Ｃ２，當(dāng)?shù)谝患壿敵龅臓顟B(tài)發(fā)生改變時（這種情況可能發(fā)生在輸入端上有合適的過零電壓或差分輸入電壓時），定時電容在電壓差為Ｖｃｃ／２的兩電壓值之間被線性地充電或放電，在輸入頻率信號的半周期中，定時電容上的電荷變化量為Ｃ１Ｖｃｃ ／２，泵入電容中的平均電流或流出電容中的平均電流為：

△Ｑ／Ｔ＝ｉｃ（ＡＶＧ）＝ｆＩＮ Ｃ１ ＶＣＣ

輸出電路把這一電流準(zhǔn)確地送到負(fù)載電阻（輸出電阻）Ｒ１中，Ｒ１電阻的另一端接地，這樣濾波后的電流被濾波電容積分后得到輸出電壓：

Ｖｏ＝Ｖｃｃ ｆＩＮ Ｃ１Ｒ１ Ｋ

其中Ｋ為增益常數(shù)，典型值為１。電容Ｃ２的值取決于紋波電壓的大小和實際應(yīng)用中所需要的響應(yīng)時間。

３　應(yīng)用電路

ＬＭ２９０７的典型應(yīng)用電路如圖２所示，在應(yīng)用中需注意電阻Ｒ１和電容Ｃ１的選取。定時電容Ｃ１可為充電泵提供內(nèi)部補(bǔ)償，為了獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，其值應(yīng)大于５００ｐＦ，太小的電容值會在Ｒ１上產(chǎn)生誤差電流，特別在低溫應(yīng)用時更是如此。ＬＭ２９０７引腳３的輸出電流是內(nèi)部固定的，因此Ｖｏ／Ｒ１值必須小于或等于此固定值。如果Ｒ１太大，將會影響引腳３的輸出阻抗，頻率／電壓轉(zhuǎn)換的線性度也會變差。此外，還要考慮輸出紋波電壓以及Ｒ１對Ｒ２值的影響，引腳３的紋波（ＶＲＩＰＰＬＥ）可用下式計算：

ＶＲＩＰＰＬＥ＝（Ｖｃｃ／２）（Ｃ１／Ｃ２）[１－（Ｖｃｃ ｆＩＮ Ｃ１／Ｉ２）]

Ｒ１的選擇與紋波無關(guān)，但響應(yīng)時間，即輸出Ｖｏｕｔ穩(wěn)定在一個新值上需要的時間會隨著紋波值的增加而增加，因此必須在紋波、響應(yīng)時間和線性度之間仔細(xì)地進(jìn)行權(quán)衡。另外，器件所允許的輸入信號的最大頻率由Ｖｃｃ、Ｃ１和Ｉ２決定。

ＤＩＰ１４封裝ＬＭ２９０７芯片的電路連接可參照圖３，只需將管腳３、４，管腳１１、１２連接在一起即可。圖中?Ｃ１＝１０００ｐＦ，Ｒ１＝１００ｋΩ，Ｃ２＝０．４７μＦ。用示波器觀察波形，可以發(fā)現(xiàn)電路輸出的線性度、靈敏度、準(zhǔn)確度都比較好。實際應(yīng)用中的輸入頻率信號可以是三角波、方波、正弦波信號。在保證零穿越的情況下都能比較理想的實現(xiàn)頻率／電壓轉(zhuǎn)換，輸入信號的幅值最好在１Ｖ以上?但不要超過電源電壓。參考電壓可以很好地調(diào)整輸出的最小電壓和帶負(fù)載能力。