一种基于CPLD的可编程FV变换电路

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。
关键词：可编程逻辑器件；频率电压变换；脉冲宽度调制

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。