CPU制造技术探秘

CPU制造技术探秘Low-k/High-k的异同第1页：CPU制造技术探秘，Low-k/High-k有何异同？（一）

本文转载自digitimes台湾

近十年来CPU业者每发表1款新主打CPU，就会顺带标榜该芯片所用的制程技术，最初只标榜尺寸缩密性制程，而近五年来更是强调各种新材质性制程，倘若不去了解新材质制程的意义，那么也将愈来愈不了解新CPU 的价值意义……

过去IBM微电子发表Low k Dielectric（低介电质绝缘，或称：低介电常数绝缘）制程技术时，人们没有投入太多的注目，而今Intel在45nm 制程的芯片产品发表后，也连带在45nm制程内使用了High k/Metal Gate （高介电质金属闸极）技术，使的最近笔者经常被人问及：Low k制程与High k制程到底有何不同？

问此问题的人因为被名称所迷惑，认为Low k与High k是相互矛盾的技术，且半导体业者都纷纷标榜Low k、High k等新制程技术能为芯片电路带来新的提升效益，因此迷惑也就加深，所以以下本文将对此进行更多讨论。

◆关于铜线路制程

要谈论Low k制程技术，就免不了要谈论Copper Interconnect（简称：铜互连制程）技术，因为Copper Interconnect与Low k Dielectric

是相辅相成的，前者用来强化线路的传导性，后者用来降低线路间的绝缘性。

『IBM处理器的芯片剖面图』

（图解：上图为IBM处理器的芯片剖面图，该芯片使用90nm CMOS制程，并用上铜制程与Low k制程，其中Low k方面有使用SiCOH、Cu/SiCOH、以及FTEOS/SiO2等不同材质）由于半导体制程的不断进步，集成电路的尺寸愈来愈小、电路愈来愈密，同时工作频率愈来愈快，在到达GHz的频率频率、线路宽度小于250nm 时，芯片内电路内的寄生电阻效应、寄生电容效应也就愈来愈严重，进而使频率无法再提升，此称为阻容延迟、阻容迟滞（RC Delay），RC Delay 不仅阻碍频率成长，同时也会增加电路的无谓功耗。

寄生电阻的问题来自于线路本身的电阻性，如果可以用电阻值更低、传导性更佳的线路材质，寄生电阻的问题就可以舒缓。而寄生电容则是因

为线路与线路间的绝缘性过高，如果可以降低绝缘性，则寄生电容的问题也可以舒缓。

所以，IBM微电子（即是IBM的半导体事业部、半导体部门）提出铜制程，将原本用铝材质制造的芯片线路（俗称：铝制程）改成用铜材质来制造，铜的传导性比铝更好，电阻值更低，如此就可以解决寄生电阻的问题。

解决寄生电阻后，寄生电容问题一样以换替材料的方式来解决，原本的绝缘材质其绝缘性太高，所以要换替成低绝缘性的材料，也就是低介电值的材料。

关于此，过往使用的绝缘材料为二氧化硅（SiO2），然取代二氧化硅的方案材料有许多种，包括：SiLK、FOx、HSQ、MSQ、Nanoglass、HOSP、Black Diamond、Coral、Aurora等等，各家半导体厂所支持、偏好的材质各有不同，不过所要达到的目标是一致的，就是降低线路间的寄生电容。

当然！最好的Low k材质就是“没有材质”，线路与线路间不使用任何材质，采“真空”作法，如此寄生电容就可以降至最小，IBM于2007年5月发表的Airgap（空隙）技术就是此种构想的实现。

第2页：CPU制造技术探秘，Low-k/High-k有何异同？（二）

◆绝缘硅技术

以上所谈的都是线路本身与线路间的问题，接下来要谈论晶体管（在此指数位电路所常用的MOSFET）部份的问题，事实上晶体管也因为制程的缩密而面临一个大问题，那就是漏电（Leakage Current），这包括两个部份，一是从源极（Source）通往汲极（Drain）的电流漏往基极（Body，在此也可称Silicon Substrate），另一是闸极（Gate）电流漏往基极。

对此IBM也提出因应之道，在源极与汲极底下，以及在基极之上，多埋入1层的绝缘层，该绝缘层的材料为二氧化硅，如此就可以减少电流从源极通往汲极时漏往基极，此技术称为绝缘硅（Silicon On Insulator；SOI）制程。

◆高介电值金属闸极技术

SOI解决了源极、汲极间的漏电，但却难以阻止闸极的漏电，闸极的漏电在于闸极与基极间的绝缘度不够，闸极与基极有着1层绝缘层，此绝缘层的材料过往多半使用二氧化硅，而今二氧化硅的绝缘度已经不够，所以也必须用新材料来替换，要换替成更高绝缘度、更高k值的才行。

到此，我们总共在3处地方提到二氧化硅：线路间的绝缘、源极/汲极与基极间的绝缘、闸极与基极间的绝缘，线路间的绝缘必须降低绝缘值，所以将二氧化硅替换成其它Low k特性的材料；而源极/汲极与基极间原本没有绝缘层设计，而今SOI制程在两者间多铺设1层二氧化硅制成的绝缘层。

现在，闸极与基极间本来就有绝缘层，但其绝缘度愈来愈不足，所以也必须进行换用，换用绝缘性更高的，所以就有了High k/Metal Gate技术的诞生。

事实上在Intel发表正式研发成功High k/Metal Gate技术前，半导体业界早已在讨论High k技术，原本预测2007年此项技术就会开始盛行，不过此预测稍过乐观，以致后来业界将焦点转向另一个革新技术：应变硅通道（Strained-Si Channel），此技术可以加快源极到汲极间的电流流动，好加快晶体管的运作速度。

话虽如此，IBM还是在2007年1月正式发表High k/Metal Gate技术，以及Intel在2007年11月正式宣布成功运用High k Metal Gate技术，而其它业者仍在努力中，。High k能减少闸极漏往基极的电流，可节省芯片的功耗用电，使芯片更省电运作。

High k材质既然能提供更佳的绝缘性，那么SOI的绝缘层也可以使用，将二氧化硅换成High k材质，预计可以让芯片功耗用电更为收敛，现在

已有多家半导体业者准备进行此一替换，并认为此作法是升级性的SOI技术。

另外，笔者一直没有提到的是金属闸极部分，芯片内的晶体管闸极很长一段时间都使用多晶硅（Polysilicon）材质，而今换成金属（事实上最早期的MOSFET，其闸极也是金属材质，之后才换成硅）后，可加速闸极（有时也翻译成：栅极）的关闭/导通速率，如此将可使芯片电路运作更快速。

也因为实行金属闸极，所以更需要High k绝缘材质的搭配，两者几乎是密不可分，所以在许多报导上都写成High k Metal Gate，但更确切而言当写成High k/Metal Gate或High k + Metal Gate。

第3页：CPU制造技术探秘，Low-k/High-k有何异同？（三）

◆新技术持续嘉惠大众

至此，相信各位已能体会High k、Low k的不同，名称上看似冲突，实际上却毫无矛盾，Low k用于芯片线路，High k用于晶体管闸极。更简单地说，Low k是强化芯片内“前后左右，线路布局”的运作速度并减少功耗，High k是强化芯片内“上下，晶体管开启/关闭”的运作速度并减少功耗，两者各有所职。

『IBM运用Airgap技术制成的微处理器芯片』有了上述所谈的各项新制程技术，摩尔定律才能持续适用下去，人们也才能持续买到更便宜效能却更高的芯片。反之，若半导体技术与建筑技术一样，难有大幅度的技术提升与突破，那么芯片的价格有可能跟房价一样，永远是一平米数万元的价格。

（图释：过去芯片内的线路间绝缘多半使用类玻璃性的材质，而IBM于2007年5月运用实验室内的自组技术手法，成功实现真空性的线路间绝缘技术，称为Airgap技术，此技术不仅可

进一步提升芯片效能，同时也可减少芯片功耗，IBM预计在2009年将此技术运用在其服务器用的芯片中。）

基于LM331频率电压转换器电路设计

基于LM331频率电压转换器电路设计LM331基本上是从国家半导体精密电压频率转换器。该集成电路具有手像应用模拟到数字的转换，长期一体化，电压频率转换，频率电压转换。宽动态范围和出色的线性度，使适合上述应用的IC，这里的LM331作为电压转换器转换成一个成比例的电压，这是非常线性的输入频率与输入频率的频率有线。电压转换的频率达到差分输入频率使用电容C3和电阻R7，和由此产生的脉冲序列喂养的PIN6的 IC(阈值)。在PIN6负由此产生的脉冲序列的边缘，使得内建 说明 LM331基本上是从国家半导体精密电压频率转换器。该集成电路具有手像应用模拟到数字的转换，长期一体化，电压频率转换，频率电压转换。宽动态范围和出色的线性度，使适合上述应用的IC，这里的LM331作为电压转换器转换成一个成比例的电压，这是非常线性的输入频率与输入频率的频率有线。电压转换的频率达到差分输入频率使用电容C3和电阻R7，和由此产生的脉冲序列喂养的PIN6的 IC(阈值)。在PIN6负由此产生的脉冲序列的边缘，使得内建的比较器电路，触发定时器电路。在任何时刻，电流流过的电流输出引脚(引脚6)将输入频)的值成正比。因此，输入频率(FIN)成正比的电压(VOUT)率和定时元件(R1和C1 将可在负载电阻R4 。电路图

注意事项 该电路可组装在一个VERO板上。 我用15V直流电源电压(+ VS)，同时测试电路。 LM331可从5至30V DC之间的任何操作。 R3的值取决于电源电压和方程是R3 =(VS - 2V)/(2毫安)。 根据公式，VS = 15V，R3 = 68K。 输出电压取决于方程，VOUT =((R4)/(R5 + R6))* R1C1 * 2.09V *翅。壶R6可用于校准电路。

电压频率和频率电压转换电路的设计

电压频率和频率电压转换电路的设计 图1 数字测量仪表电压/频率电路是一种模/数转换电路，它应用于模/数转换，调频，遥控遥测等各种设备。（2）F/V转换电路F/V转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号。这种电路主要包括电平比较器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。它有通用运放F/V转换电路和集成F/V转换器两种类型。1、1设计要求设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波的电路,要求包括：积分器；电压比较器和一个将给定频率的矩形波转换为直流电压的电路，要求包括：过零比较器、单稳态触发器、低通滤波器等。1、2 设计指标(1）输入为直流电压0- 10V，输出为f=0-500Hz的矩形波。 （2）输入ui是0~10KHZ的峰-峰值为5V的方波，输出uo为0~10V的直流电压。2 设计内容总体框图设计2．1 V/F转换电路的设计2、1、1 工作原理及过程积分器和滞回比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图2所示，比较器输出的矩形波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成矩形波，这样便可构成三角波，矩形波发生器。由于采用集成运放组成的积分电路，因此可以实现恒流充电，能够得到比较理想的矩形波。 通过分析可知，矩形波幅值大小由稳压管的稳定电压值决定，即方波的幅值。

矩形波的振荡频率2、1、2 模块功能积分器：积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即输入电压与输出电压的积分成正比。滞回比较器：用来输出矩形波，积分器得到的三角波可触发比较器自动翻转形成矩形波。稳压管：用来确定矩形波的幅值。 图2 总体框架图2、2 功能模块的设计2、2、1 积分电路工作原理积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即输入电压与输出电压的积分成正比。由于同相积分电路的共模输入分量大，积分误差大，应用场合少，所以不予论述，本课程设计用到的是反相积分电路。图3 积分器反相积分电路如图3 所示，电容器C 引入交流并联电压负反馈，运放工作在线性区。由于积分运算是对瞬时值而言的，所以各电流电压均采用瞬时值符号。由电路得因为“-”端是虚地，即U-=0,并且式中是积分前时刻电容C上的电压，称为电容端电压的初始值。所以把代入上式得当时若输入电压是图所示的阶跃电压，并假定,则t>=0时，由于，所以由此看出，当E为正值时，输出为反向积分，E对电容器恆流充电，其充电电流为E/R，故输出电压随线性变化。当向负值方向增大到集成运放反向饱和电压时，集成运放进入非线性工作状态，保持不变，图3所示。 如输入是方波，则输出将是三角波，波形关系如图4所示。当时间在0～期间时，电容放电当t=1时，当时间在～期间时，电容充电，其初始值所以当 t= 时，。

电压频率转换电路

2 电压/频率转换电路 电压/频率转换即V/F 转换，是将一定的输入电压信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。针对煤矿的特殊要求，我们只分析如何将电压转换成200～1000Hz的频率信号。 实现V/F 转换有很多的集成芯片可以利用，其中LM331是一款性能价格比较高的芯片，由美国NS公司生产，是一种目前十分常用的电压/频率转换器，还可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。由于LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01% ，工作频率低到1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0～40V 之间，输出可高达40V，而且可以防止Vs短路。图2是由LM331组成的典型的电压/频率变换器。 其输出频率与电路参数的关系为： Fout= Vin·Rs/(2.09·R1·Rt·Ct) 可见，在参数Rs、R1、Rt、Ct确定后，输出脉冲频率Fout与输入电压Vin成正比，从而实现了电压-频率的线性变换。改变式中Rs的值，可调节电路的转换增益，即V和F之间的线性比例关系。将1～5V 的电压转换成200～1000Hz的频率信号，电路参数理论值为R =18kΩ，Ct=0.022uF，R1=100kΩ，Rs=16.5528kΩ，由于元器件与标称值存在误差，在

模电课程设计(电压频率转换电路)

模拟电路课程设计报告设计课题：电压—频率转换电路 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 设计时间：

题目电压—频率转换电路 一、设计任务与要求 1．将输入的直流电压（10组以上正电压）转换成与之对应的频率信号。 2．用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。 （提示：用锯齿波的频率与滞回比较器的电压存在一一对应关系，从而得到不同的频率.） 二、方案设计与论证 用集成运放构成的电压—频率转换电路，将直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压，其输出为矩形波。 方案一、采用电荷平衡式电路 输入电压→积分器→滞回比较器→输入 原理图：

方案二、采用复位式电路 输入电压→积分器→单限比较器→输出 原理图： 通过对两种转换电路进行比较分析，我选择方案一来实现电压—频率的转换。方案一的电路图简单，操作起来更容易，器件少，价钱也更便宜，且方案一的线性误差小，精度高，实验结果更准确，所以我选择方案一。 三、单元电路设计与参数计算 1、电源部分：

图1 电源原理图 单相交流电经过电源变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。 直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉冲电压。 为了减少电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。 交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载变化的影响，从而获得足够高的稳定性。 取值为： 变压器：规格220V~15V 整流芯片：LM7812、LM7912 整流用的二极管：1N4007 电解电容：3300uf C2、C3：0.1uf C4、C5：0.47uf C7、C8：220uf 发光二极管上的R：1KΩ 2、电压—频率转换部分： ○1积分器：

模拟电路之电压频率转换

模拟电路课程设计报告 设计课题：电压频率转换 专业班级：09电气技术教育学生姓名：易群 学号：090805031 指导教师：曾祥华 设计时间：2011/1/10 （以上小二号、行距40磅）

电压频率转换 一、设计任务与要求 1．将输入的直流电压（10组以上正电压）转换成与之对应的频率信号。 2．用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。（提示：用锯齿波的频率与滞回比较器的电压存在一一对应关系，从而得到不同的频率.） 二、方案设计与论证 (一)电源部分 单相电压经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。直流电源的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压，变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，再通过低通滤波电路滤波，减小电压的脉动，使输出电压平滑，但由于电网电压波动或负载变化时，其平均值也将随之变化，则在滤波电路后接个稳压电路，使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载变化的影响，从而获得足够高的稳定性。在此次设计中则用220v、50Hz的交流电通过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路利用桥式整流电路实现正、负12V直流电压。方框图如下： 原理：图 10.1.1 直流稳压电源的方框图 电网电压

直流稳压电源通过变压器、整流、滤波、稳压来实现。 1）通过电源变压器降压后，再对220V 、50Hz 的交流电压进行处理，变压器副边电压有效值决定于后面电路的输出电压。 2)变压器副边电压通过整流电路将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，一般整流电路用单相半波整流和单相桥式整流，但单相半波电路仅试用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合，所以此次采用单相桥式整流电路。 3）经过整流电路的电压仍含有交流分量，再为了减小电压的脉动，则接一滤波电 路 ， 输 出 电 压 平 稳 。 图 如 下 ： 4）交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流成分较小的直流电压，但是当电网波动或者负载变化时，它的值也会变动，则通过稳压电路使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载变化的影响，从而得到更好的稳定行。 方案一、单相半波整流电路 设变压器的副边电压有效值为U 2，则其瞬时值U 2=2sinwt 。 在U 2的正半周期，A 点位正，B 点位负，二极管外加反向电压，因而处于导通状态。电流从A 点流出，经过二极管D 和负载R L 流入B 点， u 0= u 22sinwt （wt=0～π） 。在u 2的负周期，B 点为正，A 点为负，二极管外加反向电压，因而处于截至状态，u 0=0（wt=π～2π）。负载R L 的电压和电流都具有单一方向脉动的特性，图1为单相半波整流电路： 滤

电流频率转换

隔离式电流-频率转换电路--4~20MA转换成10KHZ 双线传输的4~40MA模拟信号电流，若要单纯地转换成电压，只用一个250欧的电阻就可转换成1~5V的电压。本电路用在高噪声电路中可起到隔离作用，它把电流转换成0~10KHZ的频率，然后可廉价的光耦合器输出，如再在信号接收级配置适当的定时基准，并对单位时间内的平均脉冲娄进行计数，即可完成模拟数字转换。 电路工作原理 本电路由两部分组成，即电流-电压转换部分和用V-F转换器把电压转换成频率部分，电流-电压转换采用一个250欧的电阻R1，在其两端产生电压，再用OP放大器1把该电压变为0~-10V，所以反相放大倍数应为2.5倍。 电流为4MA时，为了使A1的输出为0，必须采用置偏电路，可在同相输入端施加电压形成置偏。如不用置偏的方法，则把同相输入端接地，A1的放大倍数取2，也能转换成2~10KHZ的频率输出。 V-F转换器采用NS公司的LM331，其内部详细结构在该公司的产品手册中已有介绍。为了改善线性，加了OP放大器A2，它是电流输入型的，满量程为0~100UA，因此，根据输入电压范围，R5的阻值应为100K，反馈环路中，C2的作用是保持环路稳定，其容量根据输入信号的范围选定。 A3的引线6用来选定基准电压，因为、唱段是把+VCC进行对半分压，所以不一定为10K，旁路电容C1的容量也不一定取该值。V-F转换器的最高振荡频率由R10和C3决定，要改变频率可用VR2改变基准电压或R10串联可变电阻的办法实现。 输出端是开路集电极，可直接驱动光耦合器的发光二极管。接通时的电流IF由R12决定，IF=（V-VF）/R12，约为8.6MA。 元件的选择 光耦合器TLP521的响应速度不高，只可传输30~50KHZ的信号，如在0~100KHZ的V-F转换器中使用，C3的电容量应取330PF，光耦合器也应换成高速型的6N136。图中带★标记的电容与振荡频率漂移有关，应尽量选用温度系数小的新产品，如浸入式云母电容。

变频器中的频率电压转速电流功率的关系

步电动机的转矩就是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的,在额定频率下,如果电压一定而只降低频率,那么磁通就过大,磁回路饱与,严重时将烧毁电机。因此,频率与电压要成比例地改变,即改变频率的同时控制变频器输出电压,使电动机的磁通保持一定,避免弱磁与磁饱与现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。 频率下降时电压V也成比例下降,这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系就是考虑了电机特性而预先决定的,通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性,可以用开关或标度盘进行选择。 频率下降时完全成比例地降低电压,那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变,将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此,在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法。 一、引言随着变频调速技术的发展,变频器调速已成为交流调速的主流,在化纤、纺织、钢铁、机械、造纸等行业得到广泛的应用。由于通用变频器一般采用V/f控制,即变压变频(VVVF)方式调速,因此,变频器在使用前正确地设定其压频比,对保证变频器的正常工作至关重要。变频器的压频比由变频器的基准电压与基准频率两项功能参数的比值决定,即基准电压/基准频率=压频比。基准电压与基准频率参数的设定,不仅与电动机的额定电压与额定频率有关(电机的压频比为电机的额定电压与额定频率之比),而且还必须考虑负载的机械特性。对于普通异步电机在一般调速应用时,其基准电压与基准频率按出厂值设定(基准电压380V,基准频率50Hz),即满足使用要求。但对于某些行业使用的较特殊的电机,就必须根据实际情况重新设定基准电压与基准频率的参数。由于变频器使用说明书以及有关书籍中没有对这两个参数作详细介绍,因此正确的设定该参数对于不少使用者来说,并非很容易的事。为此,本文结合变

三相交流电电流、电压、频率转换器的设计

三相交流电电流、电压、频率转换器的设计 在三相交流电路中，往往需要检测三相相电流、线电流和频率的变化，监控线路电压的波动，控制升温、降温、振动大小等，另外，还需要经常了解三相负载的本身工作正常与否，从而做到实时调整。文章设计了一种实用的电压/电流（V/I）、电流/电流（I/I）和频率/电流（F/I）转换器，将传感器测量的电压、电流和频率信号转换为电流信号以适应远距离检测的需要，实验结果表明三种转换电路均能满足设计指标。 标签：三相交流电；变送器；标准电流输出 Abstract：In the three-phase alternating current，it is always necessary to detect the changes of three phase current linear current and frequency、monitor the volatility of line voltage and controll the temperature rise and fall、the speed of evaporation and the scale of vibrating etc.On the other hand ，we should constantly know that whether the three phase load itself is working normally ，so that we can modulate it timely.Having designed a kind of V/I 、I/I 、F/I converters，we can cater to the need of distant detection.The experimentation has improved ，the three transfer circuits all content to the indexes of design. Key words：the three-phase alternating current；transmitter；the output of standardized current 引言 工业上对于三相交流电的测试一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上，两者之间可能相距数十至数百米，测试结果若以电压等形式传输，会出现信号减弱、失真等现象，从而导致测试结果的不准确。若以电流形式传输则不会有衰减，适宜于远距离传输。两线制变送的突出优点是现场变送器和控制室的仪表之间的联系仅仅使用两根导线，这两根导线既是供给变送器工作的电源线，又是信号输出线。传输信号的下限为4mA，不与机械零点重合，不但可充分利用晶体管电路的线性段，而且容易识别断电、断线等故障。传输信号的上限为20mA，比0～10mA输出方式大一倍，有利于提高信号输送效力和信号的分辨能力。 根据需求设计了一种转换器，可以实现将不同传感器采集的三相交流电的不同物理参数转换为4～20mA的标准变送输出，并且保证转换精度≤2%，以便于后续的测试工作。转换的物理参数包括利用基于DVL系列传感器的信号处理模块采集的三相交流电的电压信号，利用基于DHR系列传感器的信号处理模块所采集的三相交流电的电流信号以及利用光耦传感器和PIC18F97J60单片机接口电路将采集的频率信号转换成的计数脉冲信号[1]。 文章所设计的电路是可以实现0～2.5V电压、0～125mA以及0～1KHz转

传感器中的电压电流、电压频率变换的实现.

传感器中的电压/电流、电压/频率变换 的实现 传感器中的电压/电流、电压/频率变换的实现 类别：传感与控制 随着电子技术和计算机技术的迅速进步，工业自动化得到了快速发展，而在工业控制领域，检测传感器件起着越来越重要的作用，各种先进的传感器正在大量应用。但是很多传感器只提供４～２０ｍＡ或者０～５Ｖ的直流模拟信号输出，而我国煤矿使用的煤矿安全监测系统大部分只允许接入１～５ｍＡ或者２００～１０００Ｈｚ的模拟信号，所以在一般工业现场使用的传感器要实现在煤矿的应用，除了考虑防爆因素外，还必须进行输出模拟信号的转换。这种输出信号的转换如果购买专用的转换设备，不仅价格高，使用也不是很方便。实际上自己设计制作一些转换电路也可以方便的实现所需性能，下面就介绍两种实用的电压／电流、电压／频率转换电路的设计和原理。 １电压／电流转换电路电压／电流转换即Ｖ／Ｉ转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。Ｖ／Ｉ转换原理如图１。由图１可见，电路主要元件为一运算放大器ＬＭ３２４和三极管ＢＧ９０１３及其他辅助元件构成，Ｖ０为偏置电压，Ｖｉｎ为输入电压即待转换电压，Ｒ为负载电阻。其中运算放大器起比较器作用，将正相端电压输入信号与反相端电压Ｖ－进行比较，经运算放大器放大后再经三极管放大，ＢＧ９０１３的射级电流Ｉｅ作用在电位器Ｒｗ上，由运放性质可知：Ｖ－＝Ｉｅ·Ｒｗ＝（１＋ｋ）Ｉｂ·Ｒｗ（ｋ为ＢＧ９０１３的放大倍数）流经负荷Ｒ的电流Ｉｏ即ＢＧ９０１３的集电极电流等于ｋ·Ｉｂ。令Ｒ１＝Ｒ２，则有Ｖ０＋Ｖｍ＝Ｖ＋＝Ｖ－＝（１＋ｋ）Ｉｂ·Ｒｗ＝（１＋１／ｋ）Ｉｏ·Ｒｗ其中ｋ》１，所以Ｉｏ≈（Ｖｏ＋Ｖｉｎ）／Ｒｗ。由上述分析可见，输出电流Ｉｏ的大小在偏置电压和反馈电阻Ｒｗ为定值时，与输入电压Ｖｉｎ成正比，而与负载电阻Ｒ的大小无关，说明了电路良好的恒流性能。改变Ｖ０的大小，可在Ｖｉｎ＝０时改变Ｉｏ的输出。在Ｖ０一定时改变Ｒｗ的大小，可以改变Ｖｉｎ与Ｉｏ的比例关系。由Ｉｏ≈（Ｖ０＋Ｖｉ）／Ｒｗ关系式也可以看出，当确定了Ｖｉｎ和Ｉｏ之间的比例关系后，即可方便地确定偏置电压Ｖ０和反馈电阻Ｒｗ。例如将０～５Ｖ电压转换成０～５ｍＡ的电流信号，可令Ｖ０＝０，Ｒｗ＝１ｋΩ，其中Ｖｏ＝０相当于将其直接接地。若将０～５Ｖ电压信号转换成１～５ｍＡ电流信号，则可确定Ｖ０＝１．２５Ｖ，Ｒｗ＝１．２５ｋΩ。同样若将４～２０ｍＡ电流信号转换成１～５ｍＡ电流信号，只需先将４～２０ｍＡ转换成电压即可按上述关系确定Ｖ０和Ｒｗ的参数大小，其他转换可依次类推。为了使输入输出获得良好的线性对应关系，要特别注意元器件的选择，如输入电阻Ｒ１、Ｒ２及反馈电阻Ｒｗ，要选用低温漂的精

电流频率转换器的原理

一、电流频率转换器的原理 对于力反馈或力矩反馈式惯性仪表，在一定的条件下，其输出电流仅取决于其输入量的大小，而与其伺服回路的负载变化几乎无关，即它们具有电流源的特征．根据这一特点，用失凋电流小、输入阻抗高的运算放大器和漏电流很小的电容器便可组成一精确的电流积分器，如果再加上适当的逻辑电路，便可进一步构成I ／F 转换器．图14—25示出了一种I ／F 转换器的工作原理示意图． 积分器由高输入阻抗运算放大器N l (如F3140)和反馈电容C 组成．加速度计(或陀螺仪)的输出电流I 1输入到积分器的∑点．与另外两路来的电流I f 和I c 平衡．略去运算放大器失调电流和偏置电流的影响，可得到∑点的电流方程式 I c ＝I 1—I f （14-28） 式中 I f ——量化脉冲电流； I c ——积分器反馈电流． 当忽略∑点的电压U ∑时，积分器输出电压U j0与I c 积分成比 010011()T T J c f U I dt I I dt C C ==-?? （14-29） 由于受逻辑控制电路的控制，U j0在转换过程中始终保持在某一特定值范围内．转换器工作波形示于图14—26． 为便于说明I ／F 的转换原理，设积分器输入电流I 1如图14-26(a)所示，并设积分器初始值为0．在0～t 1时间内I 1＝0，因此U j0保持初始状态不变(例如零状态)．在t 1～t 2期间，由于I 1＝i 1所以U j0从t 1时刻开始呈线性增加(积分过程)．当U j0超过门限电压U M+

之后，逻辑控制电路在询问脉冲f x 的作用下接通开关S 1(见图14—25)，使恒流电流I H+流向积分器并形成量化脉冲电流I f .此时积分器的输入电流I c ＝i 1—I H+，由于设计时保证|I 1|≤|I f |，I c 开始反相，于是U j0呈线性下降．开关S 1的接通时间t k (见图14—26(b))严格受逻辑控制电路的控制，经过t k 时间之后，U j0＜U M+逻辑控制电路便断开S 1，使I f ＝0，积分器的输入端只流入电流I c ＝i 1，因此U j0又开始上升．由此可见，在转换器工作过程中，积分器始终对输入电流I 1不间断地进行积分．每当U j0超出门限电压U M+～U M-的范围时，在询问脉冲f x 的作用下I H+或I H-便通过开关S 1或S 2流向积分器．接通S 1或S 2的时间为t k 的整数倍(后一种情况图中没示出)而t k ＝1／f x 。 据以上工作过程，可将式(14—29)改写成 100 T T J f Q I dt I dt =-?? （14-30） 其中Q J =CU J0为积分器储存电荷。 方程(14—30)的第一项为惯性仪表输出电流I 1在0～T 时间内的积分值，即惯性仪表输出电荷的总电荷量Q 1，第二项为在同一时间内输入到积分器的量化脉冲电荷的总和Q f 。 设开关S 1在T 时间内的接通次数为N 次，则 0T f f f k Q I d t I N t N q ===? （14-31） 式中q=I f t k 定义为量化电荷 将方程(14—31)代入方程(14—30) Q J = Q 1-Nq N= (Q 1- Q J )/ q （14-32） 这说明开关接通次数N 正比于积分器输入电荷Q 1和积分器电容储存电荷Q J 之差．当Q 1远大于Q J 时．N 就正比于Q 1。 每当S 1或S 2接通时，输出电路便输出与之对应的脉冲信号f 01或f 02(如图14—26(e)、(f))．两路脉冲数差对应于Q 1，从而可以实现对输入电荷量的数字化。 对式(14—32)求导，可得单位时间开关接通次数． 11 ()c dN F I I dt q ==- （14-33） 式(14—33)即为电流—频率转换器的电流平衡方程，它可以作为转换器电路参数设计的依据． 由式(14—32)或式(14—33)可知，转换器的精度主要取决于至化电荷q 的精度．此外，适时地向积分器输入量化电荷q 也是保证积分器正常工作的必要条件． 在设计时，根据系统的要求．应当选取合理的q 值．假如设计允许有正负一个脉冲的误差，即q ＝Q J 时，则式(14—32)和式(14—33)可分别写成111 11N Q Q q q =-≈和

[VIP专享]三.电压—频率转换电路实验报告——MultiSim仿真

电压/频率转换电路 一、设计任务与要求 ①将输入的直流电压转换成与之对应的频率信号。 二、方案设计与论证 电压-频率转换电路（VFC）的功能是将输入直流电压转换成频率与其数值 成正比的输出电压，故也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。 通常，它的输出是矩形波。 方案一、电荷平衡式电路： 如图所示为电荷平衡式电压-频率转换电路的原理框图。 电路组成：积分器和滞回比较器，S为电子开关，受输出电压uO的控制。 设uI<0，； uO的高电平为UOH，uO的低电平为UOL； 当uO=UOH时，S闭合，当uO=UOL时，S断开。 当uO=UOL时，S断开，积分器对输入电流iI积分，且iI=uI/R，uO1随时 间逐渐上升；当增大到一定数值时，从UOL跃变为UOH，使S闭合，积分器对 恒流源电流I与iI的差值积分，且I与iI的差值近似为I，uO1随时间下降；因为，所以uO1下降速度远大于其上升速度；当uO1减小到一定数值时，uO从UOH跃变为UOL回到初态，电路重复上述过程，产生自激振荡，波形如图(b)所示。

由于T1>>T2，振荡周期T≈T1。uI数值愈大，T1愈小，振荡频率f愈高，因此实现了电压-频率转换，或者说实现了压控振荡。 电荷平衡式电路：电流源I对电容C在很短时间内放电的电荷量等于iI在较长时间内充电的电荷量。 方案二、复位式电路： 电路组成： 复位式电压-频率转换电路的原理框图如图所示，电路由积分器和单限比较器组成，S为模拟电路开关，可由三极管或场效应管组成。 工作原理： 设输出电压uO为高电平UOH时S断开，uO为低电平UOL时S闭合。当电源接通后，由于电容C上电压为零，即uO1=0，使uO=UOH，S断开，积分器对uI积分，uO1逐渐减小；一旦uO1过基准电压UREF，uO将从UOH跃变为UOL，导致S闭合，使C迅速放电至零，即uO1=0，从而uO将从UOL跃变为UOH，；S 又断开，重复上述过程，电路产生自激振荡，波形如图（b）所示。uI愈大，uO1从零变化到UREF所需时间愈短，振荡频率也就愈高 比较两方案可知，电荷平衡式电路的满刻度输出频率高，线性误差小，精度高，且电路简单、元器件较常见、能容易获得。故采用方案一—电荷平衡式电路。 三、单元电路设计与参数计算 （一）积分器

电流频率转换器设计

I/F转换器的研制 摘要本文介绍了一种宽范围输入电流频率转换器的电路设计与混合集电路成工艺制作。设计的电路输入电流范围为-20～20mA,输出频率为0～512kHz, 在满刻度为512kHz，工作温度 -45℃～85℃下其非线性度小于0.05%。 关键词电流频率转换器工艺结构设计加速度计远距离传输 1引言 在许多惯导系统等应用场合中,需要把加速度计输出模拟电流信息转换成频率信号传输和解码,或者记录下来。另一个主要应用领域是进行信号隔离装置的设计,这时可先将模拟信号转换成频率,然后通过光学隔离器进行偶合,经由F/I转换器回复成电流,由此可以在系统的输入和输出之间实现近乎理想的隔离。远距离传输模拟信号容易产生噪声干扰,使传输后的模拟信号质量下降,效果降低，采用电流频率转换器(IFC)以频率形式传输模拟信号。加速度计输出的电流信号通过I/F转换器转换成频率脉冲信号给后续的A/D处理。电流频率转换器将模拟电流输入信号转换成频率并与其电流幅值对应的输出信号，它是一种输出频率与输入信号成正比的电路。在惯导系统中对加速度计信号的处理组成原理如图1所示。 图1 加速度计信号处理组成原理图 电流频率转换器由电流积分器、门坎电路、逻辑电路、极性开关及高精度的正负恒流源组成，通常，实现模拟信号频率转换主要有两种方法：电荷平衡式和多谐振荡器结构。多谐振荡器式VFC结构简单、价格便宜、功耗较低，而且具有单位占空比输出，所以与许多传输电路连接方便，但其准确度低于电荷平衡式IFC，而且对负输入信号不能积分；电荷平衡式IFC比较准确，而且对负输入瞬变信号积分输出都能相应。但后者对电路要求高，输出为脉冲串而不是单位占空比的方波。IFC可用于长期高精度积分器、加速度计信号检测。 2．电路设计 完整电流频率转换器的组成电路框图如图2所示

如何阻抗与频率将转换为电流与电压

如何将阻抗与频率转换为电流与电压 几乎所有的电子电路都是将电压当作信号进行增幅与演算处理，此时会涉及电流、阻抗、频率等电压以外的信号，因此必需使用可以 将这些信号转换成电压或是电流的电路。本文将探讨如何将阻抗与频率转换电流或是电压的技巧。 电流转换成电压的方法 电流与电压的关系取决于欧姆法则，如果使用基准电阻的话，电流I与电压V就能够互换，进行所谓的I-V转换或是V-I转换。 I-V转换的具体步骤，首先它是使输入电流不会流入基准电阻，如此一来就会产生与呈比例的电压下降，接着将此电压下降当作输出电压取出，就能够达成转换目的。 一般而言电流－电压转换（亦即I-V转换，以下简称为I-V转换），经常应用在电流量测等领域。 A. 高精度I-V转换电路 图1是典型的高精度I-V转换电路，由图可知它是取消反相增幅电路中的输入电阻，藉此使电流直接流入电路，虽然电路中无 不过利用负归返假想接地仍旧在动作，因此会在所有归返电阻中流动。此时与呈比例的输出电压可用下式表示：--------------------------------------------------------------（1） 以图1的电路为例，图中的可以使的输入电流转换成的输出电压，如果使输入电流逆流（亦即流出），还可以获得正的输出电压。 本电路主要特征是电流的输入点变成假想接地，从信号源（电流源）观察由于输出条件维持一定，因此信号电流不会产生额外的误差。 一般光二极管（photo diode）的电流会随着受光量的大小改变，如果使用I-V转换电路，还可以构成图2的光二极管光电流量测电路。 由于光二极管本身始终被偏压（bias）成0V，因此光量与光电流之间可以获得极高的直线特性。

变频器中的频率、电压、转速、电流、功率的关系

变频器中的频率、电压、转速、电流、功率的关系 异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。 频率下降时电压V也成比例下降，这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。 频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f 模式或调整电位器等方法。 一、引言随着变频调速技术的发展，变频器调速已成为交流调速的主流，在化纤、纺织、钢铁、机械、造纸等行业得到广泛的应用。由于通用变频器一般采用V/f控制，即变压变频（VVVF）方式调速，因此，变频器在使用前正确地设定其压频比，对保证变频器的正常工作至关重要。变频器的压频比由变频器的基准电压与基准频率两项功能参数的比值决定，即基准电压/基准频率=压频比。基准电压与基准频率参数的设定，不仅与电动机的额定电压与额定频率有关（电机的压频比为电机的额定电压与额定频率之比），而且还必须考虑负载的机械特性。对于普通异步电机在一般调速应用时，其基准电压与基准频率按出厂值设定（基准电压380V，基准频率50Hz），即满足使用要求。但对于某些行业使用的较特殊的电机，就必须根据实际情况重新设定基准电压与基准频率的参数。由于变频器使用说明书以及有关书籍中没有对这两个参数作详细介绍，因此正确的设定该参数对于不少使用者来说，并非很容易的事。为此，本文结合变频调速的基本控制方式及负载的机械特性与基准电压、基准频率参数的关系，列举实例，详细说明基准电压与基准频率参数的设定方法。 二、变频调速的基本控制方式与基准电压、基准频率的关系电机用变频器调速时有两种情况--基频（基准频率）以下调速和基频以上调速（见图1）。必须考虑的重要因素是：尽量保持电机主磁通为额定值不变。如果磁通过弱（电压过低），电机铁心不能得到充分利用，电磁转矩变小，负载能力下降。如果磁通过强（电压过高），电机处于过励磁状态，电机因励磁电流过大而严重发热。根据电机原理可知，三相异步电机定子每相电动势的有效值：E1=4.44f1N1Φm 式中：E1--定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值，V ；f1--定子频率，Hz；N1——定子每相绕组有效匝数；Φm-每极磁通量由式中可以看出，Φm的值由E1/f1决定，但由于E1难以直接控制，所以在电动势较高时，可忽略定子漏阻抗压降，而用定子相电压U1代替。那么要保证Φm不变，只要U1/f1始终为一定值即可。这是基频以下调时速的基本情况，为恒压频比（恒磁通）控制方式，属于恒转矩调速。从图1可以看出，基准频率为恒转矩调速区的最高频率，基准频率所对应的电压为即为基准电压，是恒转矩调速区的最高电压，在基频以下调速时，电压会随频率而变化，但两者的比值不变。在基频以上调速时，频率从基频向上可以调至上限频率值，但是由于电机定子不能超过电机额定电压，因此电压不再随频率变化，而保持基准电压值不变，这时电机主磁通必须随频率升高而减弱，转矩相应减小，功率基本保持不变，属于恒功率调速区。由图1可见，基准

电压频率转换器原理及典型电压频率转换电路的设计

电压频率转换器原理及典型电压频率转换电路的设计 电压频率转换器VFC（V oltage Frequency Converter）是一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。 电压频率转换器也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。电压频率转换实际上是一种模拟量和数字量之间的转换技术。当模拟信号（电压或电流）转换为数字信号时，转换器的输出是一串频率正比于模拟信号幅值的矩形波，显然数据是串行的。这与目前通用的模数转换器并行输出不同，然而其分辨率却可以很高。串行输出的模数转换在数字控制系统中很有用，它可以把模拟量误差信号变成与之成正比的脉冲信号，以驱动步进式伺服机构用来精密控制。VFC 电压-频率转换器（vfc）是青岛晶体管研究所生产的电路。电压频率转换也可以称为伏频转换。把电压信号转换为脉冲信号后，可以明显地增强信号的抗干扰能力，也利于远距离的传输。通过和单片机的计数器接口，可以实现AD转换。 VFC 有两种常用类型：（a）多谐振荡器式VFC ；（b）电荷平衡式VFC。多谐振荡器式VFC简单、便宜、功耗低而且具有单位MS输出（与某些传输介质连接非常方便）；电荷平衡式VFC的精度高于多谐振荡是VFC，而且能对负输入信号积分。 电压/频率转换即v/f转换，是将一定的输入信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。它的功能是将输入直流电压转换频率与其数值成正比的输出电压，故也称电压控制振荡电路。 如果任何一个物理量通过传感器转换成电信号后，以预处理变换为合适的电压信号，然后去控制压控振荡电路，再用压控振荡电路的输出驱动计数器，使之在一定时间间隔内记录矩形波个数，并用数码显示，那么可以得到该物理量的数字式测量仪表。 电压/频率电路是一种模/数转换电路，它应用于模/数转换，调频，遥控遥测等各种设备。F/V转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号。这种电路主要包括电平比较器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。它有通用运放F/V转换电路和集成F/V

电流频率转换器的原理

电流频率转换器的原理

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一、电流频率转换器的原理 对于力反馈或力矩反馈式惯性仪表，在一定的条件下，其输出电流仅取决于其输入量的大小，而与其伺服回路的负载变化几乎无关，即它们具有电流源的特征．根据这一特点，用失凋电流小、输入阻抗高的运算放大器和漏电流很小的电容器便可组成一精确的电流积分器，如果再加上适当的逻辑电路，便可进一步构成I ／F 转换器．图14—25示出了一种I ／F 转换器的工作原理示意图． 积分器由高输入阻抗运算放大器N l (如F3140)和反馈电容C 组成．加速度计(或陀螺仪)的输出电流I 1输入到积分器的∑点．与另外两路来的电流I f 和I c 平衡．略去运算放大器失调电流和偏置电流的影响，可得到∑点的电流方程式 I c ＝I 1—I f （14-28） 式中 I f ——量化脉冲电流； I c ——积分器反馈电流． 当忽略∑点的电压U ∑时，积分器输出电压U j0与I c 积分成比 010011()T T J c f U I dt I I dt C C ==-?? （14-29） 由于受逻辑控制电路的控制，U j0在转换过程中始终保持在某一特定值范围内．转换器工作波形示于图14—26． 为便于说明I ／F 的转换原理，设积分器输入电流I 1如图14-26(a)所示，并设积分器初始值为0．在0～t 1时间内I 1＝0，因此U j0保持初始状态不变(例如零状态)．在t 1～t 2

期间，由于I 1＝i 1所以U j0从t 1时刻开始呈线性增加(积分过程)．当U j0超过门限电压U M+之后，逻辑控制电路在询问脉冲f x 的作用下接通开关S 1(见图14—25)，使恒流电流I H+流向积分器并形成量化脉冲电流I f .此时积分器的输入电流I c ＝i 1—I H+，由于设计时保证|I 1|≤|I f |，I c 开始反相，于是U j0呈线性下降．开关S 1的接通时间t k (见图14—26(b))严格受逻辑控制电路的控制，经过t k 时间之后，U j0＜U M+逻辑控制电路便断开S 1，使I f ＝0，积分器的输入端只流入电流I c ＝i 1，因此U j0又开始上升．由此可见，在转换器工作过程中，积分器始终对输入电流I 1不间断地进行积分．每当U j0超出门限电压U M+～U M-的范围时，在询问脉冲f x 的作用下I H+或I H-便通过开关S 1或S 2流向积分器．接通S 1或S 2的时间为t k 的整数倍(后一种情况图中没示出)而t k ＝1／f x 。 据以上工作过程，可将式(14—29)改写成 100T T J f Q I dt I dt =-?? （14-30） 其中Q J =CU J0为积分器储存电荷。 方程(14—30)的第一项为惯性仪表输出电流I 1在0～T 时间内的积分值，即惯性仪表输出电荷的总电荷量Q 1，第二项为在同一时间内输入到积分器的量化脉冲电荷的总和Q f 。 设开关S 1在T 时间内的接通次数为N 次，则 0T f f f k Q I dt I Nt Nq ===? （14-31） 式中q=I f t k 定义为量化电荷 将方程(14—31)代入方程(14—30) Q J = Q 1-Nq N= (Q 1- Q J )/ q （14-32） 这说明开关接通次数N 正比于积分器输入电荷Q 1和积分器电容储存电荷Q J 之差．当Q 1远大于Q J 时．N 就正比于Q 1。 每当S 1或S 2接通时，输出电路便输出与之对应的脉冲信号f 01或f 02(如图14—26(e)、(f))．两路脉冲数差对应于Q 1，从而可以实现对输入电荷量的数字化。 对式(14—32)求导，可得单位时间开关接通次数． 11()c dN F I I dt q ==- （14-33） 式(14—33)即为电流—频率转换器的电流平衡方程，它可以作为转换器电路参数设计的依据． 由式(14—32)或式(14—33)可知，转换器的精度主要取决于至化电荷q 的精度．此外，适时地向积分器输入量化电荷q 也是保证积分器正常工作的必要条件． 在设计时，根据系统的要求．应当选取合理的q 值．假如设计允许有正负一个脉冲

电压电流与电压频率转换电路(VI、VF电路)

标签：无标签 电压/电流与电压/频率转换电路（V/I、V/F电路） 1 电压/电流转换电路 电压/电流转换即V/I转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。V/I转换原理如图1。 由图1可见，电路中的主要元件为一运算放大器LM324和三极管BG9013 及其他辅助元件构成，V0为偏置电压，Vin为输入电压即待转换电压，R 为负载电阻。其中运算放大器起比较器作用，将正相端电压输入信号与反相端电压V -进行比较，经运算放大器放大后再经三极管放大，BG9013的射级电流Ie作用在电位器Rw上，由运放性质可知： V-= Ie·Rw= (1+ k)Ib·Rw (k为BG9013的放大倍数) 流经负荷R 的电流Io即BG9013的集电极电流等于k·Ib。令R1=R2，则有V0+Vm= V+= V-= (1+k)Ib·Rw= (1+1/k)Io·Rw 其中k》1，所以Io≈ (Vo+Vin)/Rw。 由上述分析可见，输出电流Io的大小在偏置电压和反馈电阻Rw为定值时，与输入电压Vin成正比，而与负载电阻R 的大小无关，说明了电路良好的恒流性能。改变V0的大小，可在Vin=0时改变Io的输出。在V0一定时改变Rw的大小，可以改变Vin与Io的比例关系。由Io≈(V0+Vi)/Rw 关系式也可以看出，当确定了Vin 和Io之间的比例关系后，即可方便地确定偏置电压V0和反馈电阻Rw。例如将0～5V 电压转换成0～5mA的电流信号，可令V0=0，Rw=1kΩ，

其中Vo=0相当于将其直接接地。若将0～5V电压信号转换成1～5mA电流信号，则可确定V0=1.25V，Rw=1.25kΩ。同样若将4～20mA 电流信号转换成1～5mA电流信号，只需先将4～20mA转换成电压即可按上述关系确定V0和Rw 的参数大小，其他转换可依次类推。 为了使输入输出获得良好的线性对应关系，要特别注意元器件的选择，如输入电阻R1、R2及反馈电阻Rw，要选用低温漂的精密电阻或精密电位器，元件要经过精确测量后再焊接，并经过仔细调试以获得最佳的性能。我们在多次实际应用中测试，上述转换电路的最大非线性失真一般小于0.03% ，转换精度符合要求。 2 电压/频率转换电路 电压/频率转换即V/F 转换，是将一定的输入电压信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。针对煤矿的特殊要求，我们只分析如何将电压转换成200～1000Hz的频率信号。 实现V/F 转换有很多的集成芯片可以利用，其中LM331是一款性能价格比较高的芯片，由美国NS公司生产，是一种目前十分常用的电压/频率转换器，还可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。由于LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01% ，工作频率低到1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。LM 331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0～40V 之间，输出可高达40V，而且可以防止Vs短路。图2是由LM331组成的典型的电压/频率变换器。 其输出频率与电路参数的关系为： Fout= Vin·Rs/(2.09·R1·Rt·Ct)