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“Hippasian” 非線性VFC擴展了動態范圍

發布時間:2009-8-4 09:40    發布者:賈延安
關鍵詞: Hippasian , VFC , 動態范圍 , 非線性
Metapontum 的Hippasus是大約公元前500年的一位希臘哲學家。作為畢達哥拉斯的門徒,他發現平方根具有一些很有趣的性質。本設計實例描述了一種VFC (壓-頻轉換器),它同樣利用了平方根的一個有趣特點: 平方根可以將VFC動態范圍提高幾個數量級(圖1)。



  線性VFC是最古老的ADC種類之一,因其簡單和低噪特性得到廣泛應用。然而,它們有一個致命的弱點,那就是動態范圍與轉換時間成正比。由于線性VFC轉換的電壓分辨率等于滿量程參考電壓VREF除以滿量程頻率fFS,再乘以計數間隔,所以動態范圍較大時不免需要較長的計數間隔和較低的轉換速度,即使在靈巧VFC 設計提供較快的滿量程頻率時也是如此。

  例如,如果采用一個3MHz的基于VFC的ADC,如Analog Devices公司的 AD7742,設計中采用2.5V 參考電壓,需要1mV的分辨率,那么所需最小計數間隔為2.5 mV /1 mV/(3 MHz)=2500/(3MHz)=833 μs。這樣的計數間隔每秒只能轉換1200次,對于很多應用,這有點太慢了。

  通過采用半拋物線傳遞函數而非線性傳遞函數,“Hippasian” VFC避免了這一問題。它的工作方式是用VREF2替代了VREF。VREF2不同于線性VFC的恒定VREF,是與輸出頻率成正比的。于是有:VREF2=VREF×fOUT/fFS,fOUT=VIN×fFS/VREF2=VIN×fFS/(VREF×fOUT/fFS),(fOUT /fFS)2=VIN/VREF,得到fOUT=fFS×(VIN/VREF)1/2。

運放 A1負責生成與頻率成正比的動態參考電壓,它將VFC內部2.5V 參考電壓升壓,給雙穩態觸發器Q1和Q1以及A2供電,這些個元件構成一個高性能頻率-電壓轉換器。參考電壓精度取決于VFC輸入時鐘參考電壓的高低 50%部分的對稱性。該對稱性由雙穩態觸發器Q2 保證。

  該設計對低電平信號轉換分辨率的效果非常突出。在前面的2.5V量程、 1mV轉換分辨率的例子中,采用線性 3MHz VFC需要2500次計數,833μs轉換間隔,采用Hippasian型設計只需要100次計數和33ms的轉換間隔——降至1/25。對 Hippasian VFC轉換再進行軟件線性化很容易,只需做一次乘法即可。
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