TC9400/9401/9402：電壓 - 頻率/頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器的深度剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電壓 - 頻率（V/F）和頻率 - 電壓（F/V）轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)裙δ艿年P(guān)鍵元件。Microchip 公司的 TC9400/9401/9402 系列轉(zhuǎn)換器，以其低成本、低功耗和高線性度等特點(diǎn)，成為眾多應(yīng)用場(chǎng)景的理想選擇。今天，我們就來深入探討一下這款轉(zhuǎn)換器的特性、工作原理以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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特性亮點(diǎn)

高線性度可選

TC9400/9401/9402 在 V/F 和 F/V 模式下都提供了不同等級(jí)的線性度選擇。其中，TC9401 在 V/F 模式下線性度可達(dá) 0.01%，F(xiàn)/V 模式下為 0.02%；TC9400 在兩種模式下線性度均為 0.05%；TC9402 則為 0.25%。這種多樣化的選擇，能滿足不同應(yīng)用對(duì)精度的要求。

寬頻率范圍

支持 DC 到 100 kHz 的頻率范圍（F/V 模式）或 1 Hz 到 100 kHz（V/F 模式），適用于各種低頻和高頻信號(hào)處理場(chǎng)景。

低功耗設(shè)計(jì)

典型功耗僅為 27 mW，對(duì)于對(duì)功耗敏感的應(yīng)用，如電池供電設(shè)備，是一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。

靈活的電源供應(yīng)

可采用單電源（+8V 到 +15V）或雙電源（±4V 到 ±7.5V）供電，方便在不同電源環(huán)境下使用。

良好的溫度穩(wěn)定性

增益溫度穩(wěn)定性典型值為 ±25 ppm/°C，能在不同溫度環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。

可編程比例因子

允許用戶根據(jù)具體應(yīng)用需求，靈活調(diào)整輸出與輸入之間的比例關(guān)系。

工作原理

V/F 轉(zhuǎn)換原理

TC9400 的 V/F 轉(zhuǎn)換基于電荷平衡原理。輸入電壓 (V{IN}) 通過輸入電阻轉(zhuǎn)換為電流 (I{IN})，該電流在積分電容上積累電荷，使運(yùn)算放大器輸出電壓線性下降。當(dāng)輸出電壓達(dá)到閾值檢測(cè)器的下限，參考電壓會(huì)對(duì)參考電容 (C_{REF}) 充電，使積分電容上的電荷減少一個(gè)固定量，從而使運(yùn)算放大器輸出電壓上升。如此循環(huán)，輸入電流的持續(xù)放電與參考電壓的固定電荷注入達(dá)到平衡。隨著輸入電壓的增加，維持平衡所需的參考脈沖數(shù)量增加，輸出頻率也相應(yīng)增加，且頻率與電壓呈線性關(guān)系。

F/V 轉(zhuǎn)換原理

在 F/V 模式下，閾值檢測(cè)器輸入的每次過零都會(huì)向運(yùn)算放大器的求和節(jié)點(diǎn)注入一個(gè)精確的電荷量 (q = C{REF} × V{REF})。這個(gè)電荷通過反饋電阻，在運(yùn)算放大器輸出端產(chǎn)生電壓脈沖。積分電容 (C_{INT}) 對(duì)這些脈沖進(jìn)行平均，得到與輸入頻率線性成正比的直流電壓。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

V/F 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

輸入/輸出關(guān)系

輸出頻率 (F{OUT}) 與模擬輸入電壓 (V{IN}) 的關(guān)系由以下公式確定： [Frequency Out =frac{V{I N}}{R{I N}} cdot frac{1}{left(V{R E F}right)left(C{R E F}right)}]

外部元件選擇

• (R_{IN})：推薦使用 1% 公差或更好的金屬膜電阻，以確保熱穩(wěn)定性和低噪聲。其值通常近似為 (1 MOmega)，可根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)以達(dá)到滿量程頻率。
• (C_{INT})：其值與 (C{REF}) 相關(guān)，滿足 (3 C{R E F} leq C{INT} leq 10 C{REF})。當(dāng) (C{INT} ≤4 C{REF}) 時(shí)，可獲得更好的穩(wěn)定性和線性度。建議使用低泄漏類型的電容，如云母或陶瓷電容。
• (C_{REF})：可用于微調(diào)滿量程頻率，推薦使用玻璃膜或空氣微調(diào)電容，以確保穩(wěn)定性和低泄漏。
• (V{DD}) 和 (V{SS})：推薦使用 ±5V 電源，并在引腳附近使用 0.1 μF 圓盤去耦電容，以滿足高精度要求。

調(diào)整步驟

• 首先，將 (V_{IN}) 設(shè)置為 10 mV，調(diào)整零位調(diào)整電路，使輸出頻率為 10 Hz。
• 然后，將 (V{IN}) 設(shè)置為 10V，調(diào)整 (R{IN})、(V{REF}) 或 (C{REF})，使輸出頻率為 10 kHz。

F/V 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

輸入/輸出關(guān)系

輸出電壓 (V{OUT}) 與輸入頻率 (F{IN}) 的關(guān)系為： [V{OUT }=left[V{R E F} C{R E F} R{I N T}right] F{I N}] 響應(yīng)時(shí)間為 (R{INT} C{INT})，輸出紋波與 (C{INT}) 和輸入頻率成反比?？赏ㄟ^增加 (C_{INT}) 的值來降低紋波。

輸入電壓電平

輸入頻率信號(hào)通過閾值檢測(cè)器輸入（Pin 11），其閾值約為 ((V{D D}+V{S S}) / 2) ±400 mV。對(duì)于單極性頻率源，如 TTL 或 CMOS 信號(hào)，需要使用交流耦合電平轉(zhuǎn)換器。

輸入緩沖

在 F/V 模式下，(F{OUT}) 和 (F{OUT}/2) 輸出可作為緩沖器，為其他電路提供信號(hào)。若不使用這些輸出，應(yīng)將 Pins 8、9 和 10 接地。

輸出濾波

TC9400 的輸出存在鋸齒狀紋波，可通過積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（如 TC7107）或增加積分電容的值來降低紋波。也可使用電容倍增電路，如 TL071 運(yùn)算放大器組成的電路，在不影響響應(yīng)時(shí)間的情況下消除紋波。

應(yīng)用場(chǎng)景

TC9400/9401/9402 適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括但不限于：

• 微處理器數(shù)據(jù)采集
• 13 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）
• 模擬數(shù)據(jù)傳輸和記錄
• 鎖相環(huán)
• 頻率計(jì)/轉(zhuǎn)速計(jì)
• 電機(jī)控制
• FM 解調(diào)

總結(jié)

TC9400/9401/9402 系列電壓 - 頻率/頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器以其豐富的特性、靈活的設(shè)計(jì)和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇元件參數(shù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。你在使用這類轉(zhuǎn)換器時(shí)，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。