一种基于CPLD的可编程频率电压变换电路介绍
摘要：文章介绍了一种可编程的频率电压变换电路（f／v），将频率信号通过复杂可编程逻辑器件（cpld）变换为与频率成正比的脉宽信号，脉宽信号控制模拟开关对基准电压信号进行斩波，斩波信号经低通滤波后输出直流电压信号。
0 前言
电气自动化和过程自动化及自动检测领域常常用到频率电压变换器f／v，需要将频率信号转换为电压信号。f／v变换器的实现方法一般有3种：一是基于专用f／v转换芯片（如lm331），二是基于模拟电路，三是基于微处理器和d／a转换器。前两种f／v变换器的共同缺点是量程单一，频率变换范围不能在线改变或不能方便地改变。第三种f／v变换器需要较高速度的微处理器和高分辨率d／a转换器，成本较高。本文介绍一种基于cpld的可编程f／v变换电路，该电路简单、频率变换范围可任意连续设置、精度高，具有较好的实用价值。
1 电路的基本原理
f／v变换电路的基本结构，频率信号经k分频电路转换为占空比为50％的方波信号；方波信号经频率／脉宽变换电路转换为脉宽与频率成正比的脉冲调宽信号；脉冲调宽信号的高电平控制模拟开关与电压基准接通，低电平控制模拟开关与信号地接通，模拟开关的输出经低通滤波器将脉冲宽度信号转换为直流电压信号。
图2为f／pwm变换电路的原理图，fs为被变换频率信号，f0为参考时钟信号，d1为m分频器，d2为k分频器，c1、c2为n位二进制计数器，u1、u2为上升沿触发的d触发器。当k分频器输出fk为0时，计数c1器清零，u1触发器的输出置1，当fk为1时，计数器c1在m分频器的输出fc的作用下增量计数。当计数器c1计数由n-1变为n时，其计数器c1的qn脚输出由0变为1，触发d触发器1的输出为逻辑0。当k分频器输出fk为1时，计数c2器清零，u2触发器的输出置1，当fk为0时，计数器c2在m分频器的输出fc的作用下增量计数。当计数器c2输出由n-1变为n时，其计数器c2的q脚输出由0变为1，触发d触发器u2的输出为逻辑0。两组计数一触发电路逻辑相反，经过逻辑组合输出得到脉宽与频率fk成正比的输出波形fpwm。频率脉宽变换时序图如图3所示。
设被变换频率信号fs的周期为t，则k分频信号fk的周期为kt，脉宽调制信号的宽度为τ，设计数器对fc的计数为n，则τ=mn／f0，脉宽调制信号fpwm的占空比dpwm与fs成正比。
由于dpwm≤1，所以被变换信号的频率上限fsmax为kf0／2mn，显然，通过改变分频数m或k或计数值n，均可改变被变换的频率上限。
图4为将pwm信号变换为直流电压信号的原理图。pwm信号的高电平控制模拟开关与电压基准vr接通，低电平控制模拟开关与信号地接通，模拟开关的输出经低通滤波器将脉冲宽度信号转换为直流电压信号vout。
2 实验结果
采用xilinx公司的cpld芯片xc9572来实现图2描述的逻辑功能，将频率信号变换成脉冲宽度信号。cpld输出的与频率信号成正比的脉冲宽度信号连到模拟开关adg408芯片的1脚，作为通道选择信号。基准电压信号vr为5v且连到adg408的5脚，adg408的8脚输出的电压信号经低通滤波电路滤波，输出与频率信号成正比的直流电压信号vout。参考时钟f0的频率为80mhz，cpld内部d1和d2为2分频器，c1、c2为12位二进制计数器，基准电压信号vr为5v，根据公式fsmax=kf0／2mn，可变换的最大频率为19．531khz。不同参考时钟分频数m对应的频率信号变换范围如表1所示。不同计数器计数值n对应的频率变换信号范围如表2所示。
3 结论
本文介绍了一种基于cpld的可编程频率电压变换电路，该电路先将频率信号转换成pwm信号，再将pwm信号转换成对应的直流电压信号。由于使用了可编程的逻辑器件，本电路简单、频率变换范围可任意连续设置、精度高，具有较好的实用价值。
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1 电路的基本原理
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图2为f／pwm变换电路的原理图，fs为被变换频率信号，f0为参考时钟信号，d1为m分频器，d2为k分频器，c1、c2为n位二进制计数器，u1、u2为上升沿触发的d触发器。当k分频器输出fk为0时，计数c1器清零，u1触发器的输出置1，当fk为1时，计数器c1在m分频器的输出fc的作用下增量计数。当计数器c1计数由n-1变为n时，其计数器c1的qn脚输出由0变为1，触发d触发器1的输出为逻辑0。当k分频器输出fk为1时，计数c2器清零，u2触发器的输出置1，当fk为0时，计数器c2在m分频器的输出fc的作用下增量计数。当计数器c2输出由n-1变为n时，其计数器c2的q脚输出由0变为1，触发d触发器u2的输出为逻辑0。两组计数一触发电路逻辑相反，经过逻辑组合输出得到脉宽与频率fk成正比的输出波形fpwm。频率脉宽变换时序图如图3所示。
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