摘要：文章介紹了一種可編程的頻率電壓變換電路（F／V），將頻率信號通過復雜可編程邏輯器件（CPLD）變換為與頻率成正比的脈寬信號，脈寬信號控制模擬開關對基準電壓信號進行斬波，斬波信號經低通濾波后輸出直流電壓信號。

0 前言

電氣自動化和過程自動化及自動檢測領域常常用到頻率電壓變換器F／V，需要將頻率信號轉換為電壓信號。F／V變換器的實現方法一般有3種：一是基于專用F／V轉換芯片（如LM331），二是基于模擬電路，三是基于微處理器和D／A轉換器。前兩種F／V變換器的共同缺點是量程單一，頻率變換范圍不能在線改變或不能方便地改變。第三種F／V變換器需要較高速度的微處理器和高分辨率D／A轉換器，成本較高。本文介紹一種基于CPLD的可編程F／V變換電路，該電路簡單、頻率變換范圍可任意連續設置、精度高，具有較好的實用價值。

1 電路的基本原理

F／V變換電路的基本結構，頻率信號經K分頻電路轉換為占空比為50％的方波信號；方波信號經頻率／脈寬變換電路轉換為脈寬與頻率成正比的脈沖調寬信號；脈沖調寬信號的高電平控制模擬開關與電壓基準接通，低電平控制模擬開關與信號地接通，模擬開關的輸出經低通濾波器將脈沖寬度信號轉換為直流電壓信號。

圖2為F／PWM變換電路的原理圖，fs為被變換頻率信號，f0為參考時鐘信號，D1為M分頻器，D2為K分頻器，C1、C2為n位二進制計數器，U1、U2為上升沿觸發的D觸發器。當K分頻器輸出fk為0時，計數C1器清零，U1觸發器的輸出置1，當fk為1時，計數器C1在M分頻器的輸出fc的作用下增量計數。當計數器C1計數由N-1變為N時，其計數器C1的Qn腳輸出由0變為1，觸發D觸發器1的輸出為邏輯0。當K分頻器輸出fk為1時，計數C2器清零，U2觸發器的輸出置1，當fk為0時，計數器C2在M分頻器的輸出fc的作用下增量計數。當計數器C2輸出由N-1變為N時，其計數器C2的Q腳輸出由0變為1，觸發D觸發器U2的輸出為邏輯0。兩組計數一觸發電路邏輯相反，經過邏輯組合輸出得到脈寬與頻率fk成正比的輸出波形fPWM。頻率脈寬變換時序圖如圖3所示。

設被變換頻率信號fs的周期為T，則K分頻信號fk的周期為KT，脈寬調制信號的寬度為τ，設計數器對fc的計數為N，則τ=MN／f0，脈寬調制信號fPWM的占空比DPWM與fs成正比。

由于DPWM≤1，所以被變換信號的頻率上限fsmax為Kf0／2MN，顯然，通過改變分頻數M或K或計數值N，均可改變被變換的頻率上限。

圖4為將PWM信號變換為直流電壓信號的原理圖。PWM信號的高電平控制模擬開關與電壓基準VR接通，低電平控制模擬開關與信號地接通，模擬開關的輸出經低通濾波器將脈沖寬度信號轉換為直流電壓信號Vout。

2 實驗結果

采用Xilinx公司的CPLD芯片XC9572來實現圖2描述的邏輯功能，將頻率信號變換成脈沖寬度信號。CPLD輸出的與頻率信號成正比的脈沖寬度信號連到模擬開關ADG408芯片的1腳，作為通道選擇信號。基準電壓信號VR為5V且連到ADG408的5腳，ADG408的8腳輸出的電壓信號經低通濾波電路濾波，輸出與頻率信號成正比的直流電壓信號Vout。參考時鐘f0的頻率為80MHz，CPLD內部D1和D2為2分頻器，C1、C2為12位二進制計數器，基準電壓信號VR為5V，根據公式fsmax=Kf0／2MN，可變換的最大頻率為19．531kHz。不同參考時鐘分頻數M對應的頻率信號變換范圍如表1所示。不同計數器計數值N對應的頻率變換信號范圍如表2所示。

3 結論

本文介紹了一種基于CPLD的可編程頻率電壓變換電路，該電路先將頻率信號轉換成PWM信號，再將PWM信號轉換成對應的直流電壓信號。由于使用了可編程的邏輯器件，本電路簡單、頻率變換范圍可任意連續設置、精度高，具有較好的實用價值。