1 引言
在许多遥测、遥控和远距离数据采集等应用场合，把模拟信号转换成频率是十分有利的，因为频率信号可以比模拟电压或电流信号更为精确地传输和解码，或者记录下来。另一个主要应用领域是进行信号隔离，这时可先将模拟信号转换成频率，然后通过光学隔离进行耦合，经由F/V转换器回复成电压，由此可以实现在系统的输入和输出之间实现近乎理想的隔离。
本文首先介绍了高压信号实时检测装置的各个组成部分的工作原理及其应用电路:V/F原理和V/F转换电路、F/V转换原理和F/V转换电路、光纤发送器和接收器原理及其应用电路;然后还详细介绍了VFC110的外围电路设计方法，分析出在高频电路应用中应该注意的事项。
2 高压信号实时检测系统的原理
在高压控制系统中，由于控制回路中至少要实现6.6kV的电压隔离，这在解决既要隔离又要耦合这个问题的过程中，就出现了各种不同的耦合技术和隔离技术，最常用的是光电耦合技术、变压器磁耦合技术。与光电耦合技术相比较，变压器耦合技术缺点是加工起来比较麻烦，一致性差。所以本文利用光电耦合技术进行信号传输，利用光纤实现电压隔离，这样不仅提高了系统的抗干扰性，而且使电路简单。
如果利用光纤实现电压隔离并进行信号传输，就遇到了如何将传感器所测量到的连续模拟信号转换成离散的数字信号问题。A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，它是模拟系统与数字系统或计算机之间的接口。A/D转换的实现方法有多种，用不同方法实现的A/D转换器具有不同的特性。由于采用光纤实现电压隔离，所以采用V/F，F/V转换电路实现对电压信号的转换。采用V/F式ADC具有以下优点:
(1)由于应用了积分电容，具有很好的抗干扰性。
(2)具有良好的线性度和分辨率。
(3)电路结构简单，对外界电容要求也简单，仅要求保持良好的稳定性。
(4)便于远距离传输。它可调制成光脉冲，可用光纤传送，不受电磁干扰。
高压信号实时检测系统电压信号转换流程图如图1。
图1 高压信号实时检测系统电压信号转换流程图
图1中阻容分压器为高压信号实时检测系统传感器，经过信号调节器调节成为能满足V/F转换器输入要求的大电压信号。V/F转换器把这些模拟输入电压转换成相应的频率信号，经光纤发送端把频率信号转换成光脉冲通过光纤进行传输，然后再通过光纤接收端把光脉冲还原成频率信号，再将频率信号送入F/V转换器将频率信号还原成相应的电压信号，最后与预置电压进行比较，比较结果决定回路的工作状态。
(1)V/F转换原理
图2 V/F转换原理
典型的电荷平衡式V/F转换器的电路结构如图2所示，A1和RC组成一积分器。A2为过零比较器，Ir恒流源与模拟开关S提供积分器以反充电回路。每当单稳态定时器受触发而产生一To脉冲时，模拟开关S接通积分器的反充电回路，使积分电容C充入一定量的电荷Qc＝Ir To。
整个电路可视为一个振荡频率受输入电压Vin控制的多谐振荡器。其工作原理如下:当积分器的输出电压Vint下降到零伏时，零电压比较器发生跳变，触发单稳态定时器，使之产生一个To宽度的脉冲，使S导通To时间。由于电路设计成Ir>Vinmax/R，因此，在To期间积分器一定以反充电为主，使Vint上升到某一正电压。To结束时，由于只有正的输入电压Vin作用，使积分器负积充电，输出电压Vint沿斜线下降，当Vint下降到0V时，比较器翻转，又使单稳态定时器产生一个To脉冲，再次反充电，如此反复进行下去振荡不止。于是积分器输出端和单稳态定时器输出端产生了如图3所示波形。
图3 积分器输出端和单稳态定时器输出波形
根据反充电电荷量与充电电荷量相等的电荷平衡原理，可以得出:
即输出电压频率Fout与输入模拟电压Vin成正比。显然，要精确的实现V/F转换，要求Ir、R及To必须准确而稳定。一般选积分电阻R作为调整刻度系数的环节，以满足V/F标称传递关系。 通常没有专门用于F/V转换集成器件，而是使用V/F转换器在特定的外接电路下构成V/F转换电路。一般的V/F集成器都具有F/V转换功能。图4为F/V转换原理图。其转换原理同V/F转换一样也是利用电荷平衡原理实现的。输入频率Fin的下降沿使过零比较器翻转输出一上升沿，该上升沿触发单稳态定时器，使其产生一定宽度的脉冲信号To(该脉冲信号的脉宽是由外界电容C1决定的)，在此单稳态脉宽期间，开关S1将与积分器接通，Ir通过S1向C2充电，在某一固定周期时间T内，根据电荷平衡原理，有公式
成立。△U为电容C2的电压增量。由于设计时Ir>Voutmax/R1，所以在To期间Ir充电为主。当频率一定时，由于Ir、To、T、R1、C2都为定值，则Vout在不断增大，由公式可知△U的值会越来越小，直到最终为零。经过一定时间后使
，由此可知输出电压Vout与输入频率Fin成正比。不再平衡，△U以正电压的形式重新出现，△U的出现将促使Vout在不断增加，最终达到与输入频率Fin成正比。当频率降低时，周期T就会增大，也使不再平衡，△U以负电压的形式重新出现，电容C2的电压在不断减小，促使Vout在不断减小，最终达到与输入频率Fin成正比。 
图4 F/V转换原理
显然，要精确的实现F/V转换，要求Ir、R1及To必须准确而稳定，一般选积分电阻R1作为调整刻度系数的环节，以满足F/V标称传递关系。
3 VFC110内部电路及其工作原理
3.1 VFC110简介及其外围器件的选择
目前，有很多V/F集成电路芯片，有Analog Devices(美)公司的ADVFC32、AD537、AD578、AD650、AD651、National Semiconductor公司的LM131、LM231、Lm331，BURR-BROW(美)公司的VFC32、VFC42/52、VFC62、VFC100、VFC320、VFC110等以及Exar(美)公司的XR4151。
经过分析比较，选择BURR-BROW公司生产的第三代VFC110作为V/F转换的核心元件。它具有以下特性:
(1)具有V/F、F/V转换功能;
(2)转换范围大，可将0－10V的电压信号转换为0－4MHz的脉冲信号，要实现实时测量，就要求转换的脉冲频率较高;
(3)非线性误差低:2MHZ时的非线性误差为±0.02%;
(4)内部提供5V;
(5)高精度的参考电压，可用于VFC电压的偏移;
(6)低通滤波，可以滤除系统通道带来的串行干扰，从而测量值更加准确;
(7)双电源供电:±15V。
图5 VFC110内部结构
VFC110内部结构如图5，由图5可知，它主要由一个带有输入电阻和电容的积分器、过零比较器、单稳态定时器、高精度5V参考电压等组成。此元件在不外接任何元件的情况下，在引脚2输入0到10V电压时，其最大输出频率是4MHz。当满刻度频率是2MHz、1MHz、500kHz等时，需要在引脚1和引脚12之间接入积分电容Cint，在引脚1端接入积分电阻Rin，在引脚6外接电容Cos以调整单稳态定时器的定时时间。
根据电荷平衡公式建立反推表来得到对应的外围电容，电阻搭配。见表1、2。
表1 VFC110芯片内部参数推导表
表2 不同满刻度频率时VFC110外围器件搭配表
注释:(1)*表示不需外接元件，利用芯片本身的固有元件即可。
(2)对于Cint的取值不是一定要求很严格。
3.2 V/F转换电路的实现
图6 V/F转换电路
V/F转换电路如图6，图中外接元件类型的选择十分重要，一定要选择低温漂、感性小的元件。尤其是关键器件R1、WR1、Cos的选择一定要注意。同时，各元件之间的引线尽可能的短，以减小寄生元件的影响。
3.3 F/V转换电路的实现
F/V转换电路如图7，图9中外接元件类型的选择和引线连接要求同V/F转换电路，引线一定要合理布置，尽可能的短，R5、R6、R7、R8、WR2、Cos、和C6一定要选择低温漂、感性小的元件。
图7 F/V转换电路
在此电路中，F/V转换的积分输出端增加了一个由R8、WR2和C6组成的输出滤波电路。在V/F转换到F/V转换的整个过程中，线路延时时间产生的主要原因之一就是由于F/V转换过程中输出滤波器的时间常数τ＝RC造成的。对于滤波器而言，要想使一个有波动的信号进行滤波得到一个较平滑的波形，总有一个最小的时间常数τ＝RC使输出波形比较满意，如果再进一步降低τ值，则输出波形变的较差，由于f＝1/2πRC，随着最大满刻度频率的提高，要想得到同样满意的输出波形(例如纹波较少、较平滑)，可极大的缩小时间常数τ值，从而得到较小的延时时间、提高响应速度。因此，最大满刻度频率与延时时间之间存在的关系是:最大满刻度频率的提高可以缩短延时时间。实验得出最大满刻度频率100kHz时，延时200μS;最大满刻度2MHz时，延时10μS。
3.4 光纤发送器和接收器
光纤发送和接收器件是Agilent公司生产的HFBR-0501系列器件中的HFBR-1521和HFBR-2521。HFBR-0501系列器件包括发送器、接收器、连接器和与每一设计对应的光缆。光纤发送、接收电路如图8所示。
图8 光纤发送和接收电路
表3 2MHZ时高压信号实时检测结果
5 结束语
对于同一输入电压范围(例如0－10V的输入电压)，要使V/F转换满足不同的最大满刻度频率输出，需使Vin/Fout满足不同满刻度频率情况下的线性关系，即Vin/Fout为不同的常数。
在实际工程应用中，由于元器件自身精度的制约和线路寄生参数的影响，并不能使V/F转换的线性度达到理想值，而是存在着一定的偏差。尤其是在高频电路中，线路寄生参数的影响更是不能忽视，它甚至是影响整个电路成败的关键。因此，在高频电路设计中，元器件类型的选择和线路板的布置十分重要。
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