LM2907频率／电压转换器原理及应用

１ 引言

在测量转速（频率）时，目前多采用数字电路，但有些场合则需要转速（频率）的变化与模拟信号输出相对应，这样便可在自动控制系统实验中用频／压转换器件代替测速发电机，从而使实验设备简化。美国国家半导体公司推出的速度（频率）／电压转换芯片ＬＭ２９０７／ＬＭ２９１７只需接少量的外围元件即可构成模拟式转速表，可用于测量电机转速，实现汽车超速报警等。
２ ＬＭ２９０７芯片介绍

ＬＭ２９０７为集成式频率／电压转换器，芯片中包含了比较器、充电泵、高增益运算放大器，能将频率信号转换为直流电压信号。ＬＭ２９１７ 与ＬＭ２９０７基本相同，区别是：ＬＭ２９１７内部有一只稳压管，用于提高电源的稳定性。

２．１ 主要特点

ＬＭ２９１７进行频率倍增时只需使用一个ＲＣ网络；以地为参考点的转速计（频率）输入可直接从输入管脚接入；运算放大器／比较器采用浮动三极管输出；５０ｍＡ的输出电流可驱动开关管、发光二极管等；内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；比较器的滞后电压为３０ｍＶ利用这个特性可以抑制外界干扰；输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为±０．３％；具有保护电路，不会受高于Ｖｃｃ值或低于地参考点输入信号的损伤；在零频率输入时，ＬＭ２９０７的输出电压可根据外围电路自行调节；当输入频率达到或超过某一给定值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。

２．２ 电性能参数

ＬＭ２９０７的主要电性能参数如表１所列：

表1 LM2907的主要电性能参数（Vcc=12VDC,TA=25）

２．３ 引脚排列及内部结构

ＬＭ２９０７／ＬＭ２９１７有ＤＩＰ８ 和ＤＩＰ１４两种封装形式。ＬＭ２９０７的ＤＩＰ１４的内部结构如所示，ＤＩＰ ８的内部结构及各引脚功能可参考。各引脚功能如下：

●１脚（Ｆ）和１１脚（ＩＮ－）为运算放大器／比较器的输入端；

●２脚接充电泵的定时电容（Ｃ１）；

●３脚接充电泵的输出电阻和积分电容（Ｒ１／Ｃ２）；

●４脚（ＩＮ＋）和１０脚（ＵＦ１）为运算放大器的输入端；

●５脚为输出晶体管的发射极（Ｕ０）；

●８脚为输出晶体管的集电极，一般接电源（ＵＣ）；

●９脚为正电源端（ＶＣＣ）；

●１２脚为接地端（ＧＮＤ）；

●６，７，１３，１４脚未用。

２．４ 工作原理

当充电泵把从输入级输入来的频率转换成为直流电压时，需外接定时电容Ｃ１、输出电阻Ｒ１以及积分电容或滤波电容Ｃ２，当级输出的状态发生改变时（这种情况可能发生在输入端上有合适的过零电压或差分输入电压时），定时电容在电压差为Ｖｃｃ／２的两电压值之间被线性地充电或放电，在输入频率信号的半周期中，定时电容上的电荷变化量为Ｃ１Ｖｃｃ ／２，泵入电容中的平均电流或流出电容中的平均电流为：

△Ｑ／Ｔ＝ｉｃ（ＡＶＧ）＝ｆＩＮ Ｃ１ ＶＣＣ

输出电路把这一电流准确地送到负载电阻（输出电阻）Ｒ１中，Ｒ１电阻的另一端接地，这样滤波后的电流被滤波电容积分后得到输出电压：

Ｖｏ＝Ｖｃｃ ｆＩＮ Ｃ１Ｒ１ Ｋ

其中Ｋ为增益常数，典型值为１。电容Ｃ２的值取决于纹波电压的大小和实际应用中所需要的响应时间。
３　应用电路

ＬＭ２９０７的典型应用电路如所示，在应用中需注意电阻Ｒ１和电容Ｃ１的选取。定时电容Ｃ１可为充电泵提供内部补偿，为了获得准确的转换结果，其值应大于５００ｐＦ，太小的电容值会在Ｒ１上产生误差电流，特别在低温应用时更是如此。ＬＭ２９０７引脚３的输出电流是内部固定的，因此Ｖｏ／Ｒ１值必须小于或等于此固定值。如果Ｒ１太大，将会影响引脚３的输出阻抗，频率／电压转换的线性度也会变差。此外，还要考虑输出纹波电压以及Ｒ１对Ｒ２值的影响，引脚３的纹波（ＶＲＩＰＰＬＥ）可用下式计算：

ＶＲＩＰＰＬＥ＝（Ｖｃｃ／２）（Ｃ１／Ｃ２）[１－（Ｖｃｃ ｆＩＮ Ｃ１／Ｉ２）]

Ｒ１的选择与纹波无关，但响应时间，即输出Ｖｏｕｔ稳定在一个新值上需要的时间会随着纹波值的增加而增加，因此必须在纹波、响应时间和线性度之间仔细地进行权衡。另外，器件所允许的输入信号的频率由Ｖｃｃ、Ｃ１和Ｉ２决定。
ＤＩＰ１４封装ＬＭ２９０７芯片的电路连接可参照，只需将管脚３、４，管脚１１、１２连接在一起即可。图中Ｃ１＝１０００ｐＦ，Ｒ１＝１００ｋΩ，Ｃ２＝０．４７μＦ。用示波器观察波形，可以发现电路输出的线性度、灵敏度、准确度都比较好。实际应用中的输入频率信号可以是三角波、方波、正弦波信号。在保证零穿越的情况下都能比较理想的实现频率／电压转换，输入信号的幅值在１Ｖ以上但不要超过电源电压。参考电压可以很好地调整输出的电压和带负载能力。