用于光电检测的V/F脉宽调制电路设计

马其琪， 赵 林， 郭 涛， 闫明明

(中北大学 电子测试技术国家重点实验室； 仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 山西 太原 030051)

0 引 言

随着现代技术的发展，脉冲信号在通信领域具有越来越重要的作用。在高分子光电检测领域[1]，将BI-200SM广角激光散射仪在检测高分子材料时所产生的电压信号进行转换，产生数字相关器能够识别的脉冲信号，用以测算它们的纳米颗粒分布情况和Zimm、Berry、Debye曲线、相对分子质量等系数。由此可见，脉冲信号的转换精度是高分子材料检测精度的重要影响因素之一。为了提高检测精度，脉冲信号的调制是至关重要的。本文设计的VFC电路输出的波形经过脉宽调制电路后，能够应用于高分子材料检测，具有结构简单、转换速度快和成本低等优点。

1 VFC脉宽调制电路原理

散射仪中光电倍增管接收的电压信号经过VFC转换电路形成脉冲串，然后再经过脉宽调制形成了幅值、频率和脉宽都能被数字相关仪所识别的脉冲信号。此信号经过数字相关仪计算即可得到想要的参数(见图1)。根据V/F转换芯片原理的不同，本文选择了两种常用的VFC芯片进行选型[2-3]。

图2、3介绍了这两种不同原理的V/F芯片内部逻辑电路，其中AD652是一种同步电荷平衡式V/F芯片，VFC110则是异步电荷平衡式的V/F芯片。两类电荷平衡式VFC的基本原理相同,但在细节上又有较大区别。实际上，电压频率变换器只是做到了将电压转换成脉冲信号,最终的频率还需要通过计数器或者数字相关器来对脉冲信号进行计数并通过计算得到。

通过查阅芯片资料发现，AD652可以将0～10 V的电压信号线性转换为0～2 MHz的脉冲信号，支持的最大外部晶振频率为4 MHz，当输出为2 MHz时，线性失真度为±0.02%[4]；VFC110则可以将0～10 V的电压信号线性转换为0～4MHz的脉冲信号(不需要外部晶振)，当输出2 MHz时，线性失真度同样也为±0.02%[5]。相比较而言，VFC110的性能要比AD652好。本文电路主要是以VFC110为核心设计的。

图4介绍了一种以VFC110为核心的V/F转换电路[6]，通过改变电路中的输入电阻就可以实现改变输出频率的目的，供电电压选择±15 V。

2 V/F芯片脉宽输出分析

为了满足数字相关器实际要求，需对输出频率的脉宽进行调制，AD652和VFC110都可以通过改变外部Cos电容值来改变输出脉冲的脉宽[7]。但是在调制过程中发现当脉宽到达一定值时，通过调节Cos改变脉宽就变得很困难。例如AD652，在调试过程中发现，脉宽输出当Cos到达6pF时，脉宽变化近似为0。

表1、2记录了调试电路时，两种芯片在不同的Cos时脉宽输出情况。

表1 AD652脉宽输出调试记录

表2 VFC110脉宽输出调试记录

通过调试电路和计算可以发现，这些V/F芯片的脉宽输出实际符合y=ax+b的输出形式。其中：a是由V/F芯片内部单稳态触发电路的电阻R和外部电容Cos决定的；b则是Cos空置时单稳态电路的固有输出脉宽，即这两种芯片都是当Cos空置时芯片会有一个固定的脉宽输出，当有外接Cos时会有一个随着Cos线性改变的脉宽输出。我们只能通过在外部增加电容来达到改变脉宽的目的，但是芯片内部单稳态电路的固有脉宽却是改变不了的。

此次设计V/F电路就是为了能产生数字相关器能识别的、可以实现0～10 V电压信号转换为0～2 MHz的脉冲信号，并且使得输出信号脉宽为30 ns的目的。这样，这些V/F芯片的最小输出脉宽就不能满足我们研发产品的需求。

3 V/F电路脉宽调制电路设计

分析V/F内部电路得知，当V/F内部通过比较器的信号单稳态触发电路时，输出信号的脉宽会发生改变。由此可以猜想，当在V/F芯片外部增加一个单稳态电路即可以获得理想的脉宽输出。

单稳态电路是数字电路中的一个比较重要的应用电路[8]。单稳态触发电路具有如下工作特性：① 它的稳态和暂稳态2个不同的显著状态；② 在外界触发脉冲的作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间后，再自动返回稳态；③ 暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关(见图5)。

由于具备了以上的3个特点，单稳态触发电路广泛应用于脉冲整形、延时(产生滞后于触发脉冲的输出脉冲)及定时(产生固定时间宽度的脉冲信号等)。

根据RC电路的不同接法，单稳态触发电路可以分为微分型和积分型。

通过实际设计电路发现，微分型的单稳态电路输出脉冲的下降沿较差。与微分型单稳态触发电路相比，积分型单稳态触发电路具有抗干扰能力较强的优点。积分型单稳态电路正常工作条件：触发脉冲的宽度大于输出脉冲的宽度。符合我们所需要的条件。

通过分析电路得知，积分型单稳态触发电路的脉宽时间：

(1)

输出脉冲的幅度为

Um=UOH-UOL

(2)

图6是利用与非门和反相器以及RC积分电路组成的积分型单稳态触发电路。由于V/F电路的输出脉冲是负脉宽固定的脉冲信号，为了保证电路的正脉冲触发，我们在触发电路的输入端增加一个反相电路，并且在触发电路的输出端增加反相器以保证脉冲的正向输出。由单稳态脉宽的计算公式可以得出：只要改变电阻R和电容C的值就可以获得相应的脉宽输出。

需要特别注意的是，若是采用与非门电路构成的单稳态触发电路时，电阻R要小于0.7 kΩ。

图7中的电路是VFC的整体电路图，在结合了数字相关器的实际要求之后，在电路中增加了分压和电流放大模块。输出的脉宽信号通过分压电路能够输出符合DSP的I/O能识别的电压信号；由于经过反相器CD4069输出的信号电流太小只有零点几毫安，因此必须增加整个电路的驱动能力，使得后续的数字相关器可以正常工作。所以三极管构成的电流放大电路[9]使得整个电路具备了较强的驱动负载能力。

最后，关于电路中的器件选型需要注意的是，尽量选择聚丙烯或者聚苯乙烯材料的电容和温漂只有几个10-6的精密电阻。电路建议选择CMOS反相器和与非门。图8的波形是信号经过TTL器件构成的单稳态触发电路产生的波形，对比图9的波形可以看出，CMOS器件的输出波形具有良好的边沿特性。

图8 信号经TTL反相器输出的波形

图9的波形是由VFC110产生的脉冲信号经过单稳态触发电路调制后的输出信号。经过调整电路的RC参数，脉宽输出可以维持在30 ns左右，能够满足数字相关器技术指标的要求。

图9 不同RC值的输出脉冲波形

图10显示的结果就是本次设计的脉宽调制电路与数字相关仪联调时的上位机界面。

图10 实现电路与数字相关仪的联调

4 结 语

本文通过分析V/F转换芯片和单稳态触发电路原理，设计了一种能够准确实现脉宽调制的电路并且经过标定实验，电路的输出信号最终能够被数字相关器所识别，并且输出信号稳定，非线性失真小，实现了本文初始设计电路的目的。

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