在智能測量系統(tǒng)及自適應(yīng)信號處理系統(tǒng)中,，經(jīng)常需要將頻率信號轉(zhuǎn)換為電壓信號或?qū)㈦妷盒盘栟D(zhuǎn)換為頻率信號[1-4]。但是由于頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片自身性能的限制,，所設(shè)計的頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路能轉(zhuǎn)換的頻率范圍一般比較小,，很難處理頻率比較高的信號。因此,，為了解決這些問題,，必須對頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路所允許輸入信號的頻率范圍進(jìn)行擴展。

    現(xiàn)階段實現(xiàn)寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的方法是直接利用寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片,，例如ADI公司生產(chǎn)的基于ΣΔ技術(shù)的頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片AD7740,、AD7741、AD652,、AD654,、AD650及ADVFC32等[5-6]。但是這些芯片構(gòu)成的頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的允許頻率范圍最大也只有3 MHz左右,，而且芯片的成本較高,，構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功耗較大,。本文提出了一種利用分頻及放大原理對LM331的頻率轉(zhuǎn)換范圍進(jìn)行擴展的方法，設(shè)計了一種寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路,，解決了一般頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換頻率低的問題,。
1 硬件電路設(shè)計
1.1 系統(tǒng)框圖
    基于LM331的寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由主控電路,、分頻電路,、頻率電壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路四部分組成,。主控電路采用AT89S52單片機作為主控芯片,；分頻電路采用高速雙D型觸發(fā)器、十進(jìn)制同步加/減計數(shù)器,、雙4選1數(shù)據(jù)選擇器來實現(xiàn),；頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路由頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片LM331及一些電阻電容構(gòu)成；放大電路由運算放大器,、雙向模擬開關(guān)及電阻網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn),。

    為了實現(xiàn)寬頻頻率電壓轉(zhuǎn)換，首先將整形后待處理信號經(jīng)400分頻后,，由AT89S52單片機測量信號頻率并選擇合適的分頻比,，控制分頻電路重新對整形后的信號進(jìn)行分頻；同時單片機控制放大電路產(chǎn)生相應(yīng)放大倍數(shù)的信號,，重新分頻后的信號經(jīng)過頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號,，最后經(jīng)放大電路放大相應(yīng)的倍數(shù)后輸出以完成寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換。
1.2 基于LM331的寬頻頻率電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計
1.2.1 頻率/電壓轉(zhuǎn)換
    頻率/電壓轉(zhuǎn)換就是把輸入的脈沖信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出的一種電路。輸出的電壓與輸入的脈沖頻率成線性關(guān)系,，并可通過測量其輸出端的電壓值來間接測量輸入的脈沖頻率,。頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路由專用的頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片LM331及少量的電阻電容組成。
    LM331外接電路簡單,，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路,，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。LM331構(gòu)成的頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示,，經(jīng)放大整形后的信號Fi1經(jīng)過R1,、C3組成的微分電路加到LM331的6腳。當(dāng)Fi1的下降沿到來時經(jīng)過微分電路將在6腳產(chǎn)生負(fù)向尖峰脈沖,，當(dāng)負(fù)向尖峰脈沖大于VCC/3時LM331的內(nèi)部觸發(fā)器將置位,，其內(nèi)部的電流源對電容CL充電，同時電源VCC通過Rt對電容Ct充電,。當(dāng)CL上的電壓大于2VCC/3時,，LM331內(nèi)部的觸發(fā)器復(fù)位，CL通過RL放電,，同時定時電容Ct迅速放電,，完成一次充放電過程。此后,，每經(jīng)過一次充放電過程電路重復(fù)上面的工作過程,，這樣就實現(xiàn)了頻率/電壓的轉(zhuǎn)換。LM331輸出的電壓Vf1與輸入信號頻率Fi1的關(guān)系可表示為：
 
1.2.2 分頻電路的設(shè)計
    由于LM331最大電壓轉(zhuǎn)換頻率為100 kHz,，要處理頻率較高的信號,，首先需要對放大整形后的信號進(jìn)行分頻。分頻電路如圖3所示,。分頻電路主要是由高速雙D型觸發(fā)器74ALS74,、計數(shù)器74ALS168和數(shù)據(jù)選擇器74ALS153組成。當(dāng)待處理信號的頻率較高時,，先將其400分頻后送入主控電路測量頻率并選擇合適的分頻比,，進(jìn)行不分頻、4分頻,、40分頻或400分頻,。這時分頻電路設(shè)計的脈沖占空比為50%，滿足頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路要求輸入脈沖信號的占空比必須為30%以上的要求,。

1.2.3 程控放大電路的設(shè)計
    待處理信號經(jīng)分頻電路分頻并完成頻率/電壓轉(zhuǎn)換后,，需程控放大電路按照相應(yīng)的分頻比對電壓信號進(jìn)行放大。程控放大電路如圖4所示,，該電路由運算放大器OP37,、4雙向模擬開關(guān)CD4066及電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,。主控芯片AT89S52單片機通過寫不同的控制字控制模擬開關(guān)選擇合適的電阻網(wǎng)絡(luò)，從而調(diào)節(jié)放大電路的放大倍數(shù),。

    該電路的特點是把電阻網(wǎng)絡(luò)及模擬開關(guān)接在運算放大器的反相輸入端之前,，使得模擬開關(guān)的電阻對放大倍數(shù)幾乎沒有影響。在運算放大器的1引腳和8引腳接Rp用于實現(xiàn)運算放大器的調(diào)零,。該電路可以實現(xiàn)不放大,、放大4倍、放大40倍,、放大400倍,。
2 軟件設(shè)計
    程序流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電完成器件初始化后,，等待啟動鍵K2按下,。當(dāng)K2鍵按下時啟動頻率測量，當(dāng)待測頻率變化時單片機進(jìn)行參數(shù)計算并通過P1口輸出合適的控制字,，控制分頻電路和放大電路選擇對應(yīng)的分頻比和放大倍數(shù)對信號進(jìn)行相應(yīng)的處理,。當(dāng)結(jié)束鍵K3按下時系統(tǒng)停止工作，否則重復(fù)前面的步驟,。

    當(dāng)單片機測得信號的頻率在75 kHz～10 kHz之間時,，信號將被400分頻后輸入頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，同時放大電路會選擇放大400倍的檔位,；當(dāng)測得信號的頻率在10 kHz～4 kHz之間時,，信號將被40分頻后輸入頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，同時放大電路會選擇放大40倍的檔位,；當(dāng)測得信號的頻率在4 kHz～250 Hz之間時,，信號將被4分頻后輸入頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路,，同時放大電路會選擇放大4倍的檔位,；當(dāng)測得信號的頻率小于250 Hz時，待處理信號不分頻直接輸入頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路,，同時放大電路變成了電壓跟隨器,，不對待處理信號進(jìn)行放大。
3 實驗結(jié)果
3.1 低頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路實測結(jié)果
    在實驗中當(dāng)信號頻率較低時,，可將整形后的信號直接加入頻率電壓轉(zhuǎn)換電路,，而不經(jīng)過分頻電路。直接選取Rt=910 Ω,，RL=19 kΩ,，Rs=14.5 kΩ，Ct=0.01 μF,，當(dāng)輸入信號的頻率小于100 kHz時,，測得的實驗結(jié)果如表1所示,。

    比較分析以上結(jié)果可知，利用分頻電路和放大電路可以實現(xiàn)基于LM331的頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路頻率范圍的擴展,，有效地解決了現(xiàn)有頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換頻率不高的問題,。但是該電路在信號頻率較小時，轉(zhuǎn)換后的電壓誤差較大,，這可能是由于頻率/電壓變換系數(shù)較小的原因,。
    本文設(shè)計實現(xiàn)的基于LM331的寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路利用由高速雙D型觸發(fā)器74ALS74、計數(shù)器74ALS168和數(shù)據(jù)選擇器74ALS153組成的分頻電路以及由運算放大器OP37,、4雙向模擬開關(guān)CD4066和電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的放大電路對LM331的頻率/電壓轉(zhuǎn)換范圍進(jìn)行了擴展,。設(shè)計的寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路所允許輸入信號頻率范圍為1 kHz～30 MHz，電路結(jié)構(gòu)簡單,，成本低,，功耗小，可以應(yīng)用于傳感器測量,、電機的轉(zhuǎn)速測量,、自適應(yīng)信號處理等領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景,。
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