周波数 - 電圧変換器はどのように動作しますか？

60カットのディスクと光フォークを使ってシャフトの回転速度を測定しています。光フォークからの信号は周波数 - 電圧変換器に送られ、その後データ取得システムに送られる。

この周波数 - 電圧変換器の動作原理は何ですか？それはパルスを数えていますか？

いくつかの方法があります。

ラッセルが述べたように、1つの方法は各周期に固定サイズのパルスを作り、それから結果を低域通過濾波することです。

もう一つは、周波数依存フィルタを作ることです。振幅が一定で周波数が異なる信号を入力します。フィルタは周波数の関数として振幅を変化させます。それからあなたはしばしば「検出器」と呼ばれるAC-DC振幅コンバーターを作ります。そのような検出器は、例えばＡＭラジオの中心にある。

狭く調整された多数の回路を並列に接続して、入力信号に対する応答が最も高い回路を確認できます。

入力信号をサンプリングしてデジタル値に変換し、それらに対してFFT（高速フーリエ変換）を実行することができます。

単一の入力周波数しか期待していない場合は、その周波数を模倣するようにオシレータを微調整できます。発振器が電圧制御されていて、これをフィードバックループで行う場合、発振器への制御信号は入力周波数を示す電圧信号になります。これはフェッチされているように思えるかもしれませんが、このメソッドは名前を持つのに十分一般的です。それはと呼ばれる 位相同期ループ （PLL）、そしてあなたはあなたのためにこれのほとんどをするPLLチップを手に入れることができます。最近の（最近40年ほど）FMラジオのほとんどは、この原則に基づいています。

古いFMラジオは、別のテクニックを使っていました。 比率検出器 。

一般的なガイドとして：

１つの方法は、スロット通過が起こるたびに固定幅のパルスを提供することである。

パルス幅は、最大パルスレートで出力が100％になるか100％よりやや小さくなるように設定されます。例えば。
最大軸回転数= 600 RPMの場合
最大ディスクRPS = 10 rps
そのため、最大60スロット×10 rps = 600パルス/秒です。

各パルス幅が1 mS幅に設定されている場合
フルスピードでは、出力は0.600倍の高さと0.400倍の低さになります。
パルスが5V高いと言うように設定されている場合
Vmax = 0.6×5V = 3V。
だから、出力は600 RPMで3Vです
または3/600 V / RPM
またはRPMあたり5 mV。

TL、DR

FVCの歴史は、基本的にも時系列的にも、次のとおりです。

• 電圧リミッタ、コンデンサ、およびダイオードからなる電荷ディスペンサ。
• 2個のオペアンプとコンデンサ
• 2個のオペアンプとコンデンサとブリード抵抗
• LM131
• 2つ以上の高速Sallen-Keyフィルタをカスケード接続する
• フェーズロックループ
• デジタル

どの周波数 - 電圧変換器（FVC）を使用しているのか、またはそれが基づいているのか（LM331、LM131、AD650、ADVFC32、LM2907 / LM2917など）はありません。周波数 - 電圧変換を実行する方法はたくさんあります - アナログ方式とデジタル方式の両方、そしてそれらのキャンプの中でも同じことを達成するためのさまざまな方法があります。

FVCがどのようにして生まれたのかを知りたいのであれば、これは興味深いものです。 歴史的な 基本からの説明： とにかく、この周波数 - 電圧変換器は何ですか？ これはLM131をNational用に設計したRobert A. Peaseによって書かれているので、この情報はいわば馬の口からまっすぐです。 A PDF そこからも入手可能です。

以下の記事を要約してみます。

アナログ

最初のバージョン

30年前、George A. Philbrick研究員で働いていたときに、ある人が彼に周波数 - 電圧変換器（FVC）の作り方を教えてもらえないかと尋ねました。彼は、電圧リミッタ、コンデンサ、およびダイオードからなるチャージディスペンサを設計しました。明らかに、それはかなりうまくいった。

第二版

1964年に彼は古いPhilbrickアプリケーションマニュアルに新しいバージョンを入れました。

第１の増幅器は制限された出力電圧を有する。 p-p電圧   コンデンサの両端にはかなりよく確立されています。

V p-p = 2Vz + 2Vd - 2Vd

そのため、電荷（Q = C×V p-p）は、   第二アンプ。出力電圧は、平均で次のようになります。

Ｖｏｕｔ ＝ Ｒｆ×Ｃ×Ｖｐ − ｐ×ｆ

第三版

数年後、彼は電圧 - 周波数変換（VFC）事業に参入し、同時にFVC用の改良された回路を思いつきました（図2を参照）。

入力コンパレータはTTLに対応するように設定されています   ただし、+入力から-15 Vまで抵抗を接続すれば、   対称信号に対応します。 +入力からグランドへの抵抗   ヒステリシスを削減し、あなたは小さな信号を処理することができます。

このFVCの真の改善点は、ブリーダ抵抗で、3.3MΩがコンデンサの右端に追加されています。

LM131

Philbrickを去った後、彼はナショナルに入社し、LM131電圧 - 周波数コンバータを設計しました。 ³ 他のPhilbrickサーキットとは全く異なるアイデアを使っています。

Q =ではなくQ = I×Tを使用しました。   C×VはPhilbrickの全員に採用されています。 ±15 Vは必要ありませんでした。それ   + 15または+ 30または+ 12または+ 5 Vで動作させることができます。しかし、それは   あなたがF-to-Vコンバーターとしてそれを使ったとき、まだ同じ制約がありました：   リップルを低くしたいのであれば、速い反応を得るのは難しいです。

2つ以上の高速Sallen-Keyフィルタをカスケード接続する

1978年に、彼はFVCの応答時間を改善する方法に関するアプリケーションノートをLinear Apps Handbookに書きました。

カスケードする方法を示しました   適度な速さで応答するための2つ以上の高速Sallen-Keyフィルタ   それでも1オクターブあたり24 dBでリップルを除去します。

フェーズロックループ

1979年、彼は別のアプリケーションノートを書き、位相ロックループを使ってより速いF / V変換器を作る方法を示しました。約2ミリ秒です。

それは約10です   新しい周波数のサイクル - さらに20：1の改善。

デジタル

高速クロックとデジタルカウンター

最近、ある男が、すばやい反応で60HzのFVCを作る方法を尋ねました。 ごくわずかな遅れまたは遅れ。

標準的な手順は   高速クロックとデジタルカウンタを使用する。しかしカウント数   ある期間に収集されたデータは、次の期間に比例します。   信号、そしてあなたはいくつかのデジタル計算をする必要があるかもしれません   それを周波数を表す信号に変換します。それから私は気づいた   「乗算」DACを使用して、相互モードで分割することができます。

彼はそれを作り上げ、そしてうまくいった。この周波数 - 電圧変換器は、周波数の1サイクルで安定し、使用する部品点数が少ないだけです。

デジタルロジックは、各タイミングで2つのパルスを生成します。   着信周波数の立ち上がりエッジ（ある種のデュアル   ワンショットマルチバイブレータですが、私は周りにそれらのどれも持っていませんでした。の   最初のパルスはCD4040からのデータをDACにロードします。   また、クロックからカウンタへのパスも無効にします。   カウンターの波紋からの混乱）。次に2番目のパルスがリセットされます   カウンタ。

MDACには記憶レジスタが内蔵されているので、カウンタからのデータは   WRITE-2-barパルスが印加された時にDACに直接入力されます。の   MDACは通常の方法では接続されておらず、可変抵抗   入力パスにあります。固定抵抗は入力にあり、   デジタルコードによって制御されるインピーダンスはフィードバックとして接続されています   抵抗器。これにより、乗算型DACが分周器として機能するようになります。   相互的な機能はきちんと行われています - デジタルの世界ではなく、   アナログの世界では、しかしそれらの間の尖頭に。 （詳細はこちら   数ヶ月）。オペアンプにはLM607BNが必要でした。   低オフセット値段は安いですが、Vosは25 µV（typ）（最大60 µV）です。   あなたはトリマーポットを必要としません。

私は真剣にあなたが読むことをお勧めします 原著 私の要約版は、残念ながら、重要な技術的事実の大部分を除外しなければならなかったので、。