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華中科技大学 本科生毕业设计（论文）开题报告 题 目：电压-频率转换器（Voltage to Frequency Converter）的设计 学 号 U200814005 姓 名 胡 靖 指 导 教 师 余国义 院（系）专业 电子科学与技术系 华中科技大学教务处制 课题意义 在测量系统中，经常需要将模拟量转化成数字量，便于信号的传输、处理和存储等。所以模拟-数字转换器（ADC）是电路设计领域的一个重要方向。ADC按工作原理的不同可分为直接ADC和间接ADC。直接ADC将模拟信号直接转换成数字信号，这类ADC具有较快的转换速度，典型电路有并行比较型ADC、逐次比较型ADC。而间接ADC则是先将模拟信号转换成某一中间量（如时间或频率），然后再将中间量转换成数字量输出，此类ADC的速度较慢，典型电路有双积分型ADC、电压频率转换型ADC。 本课题所研究的电压频率转换器（VFC）是将一定的电压输入转化成频率输出的器件，通常输出频率与输入电压成正比。可以进一步通过软件或硬件方式将频率信号转换成所需要的数字信号。也可通过光电隔离器或无线链路等在远距离传输线路上直接传输频率信号，如图1所示。电压-频率转换实际上是一种模拟量和数字量之间的转换技术。它具有以下优点：结构简单、抗干扰性高、易于传输、动态范围宽以及精度高。缺点是速度较慢。在对速度要求不高的A/D转换领域，可以考虑VFC这种低成本的方式。 图1 应用VFC远距离传输模拟信号框图 由于CMOS工艺便于器件的集成，可以减小芯片的尺寸，进而降低成本，所以本课题的电压频率转换器将基于CMOS工艺来设计。 电压频率转换器原理 典型的电压频率转换方式有两种，即多谐振荡式和电荷平衡式。 图2 两种类型VFC的电路结构 1、多谐振荡器式VFC 多谐振荡器式VFC把输入电压转换成电流，电流再对电容器进行充电，然后通过比较器和触发电路对电容器放电。用稳定的基准作为切换阈值电压。多谐振荡器式VFC简单、便宜、功耗低。其缺点是精度低于电荷平衡式VFC，而且不能对负输入信号积分。 2、电荷平衡式VFC 电荷平衡式VFC由积分器、比较器和精密电荷源组成，利用电容来跟踪输入电压与参考电压的比值。将输入信号加到积分器充电，当积分器输出电压达到比较器的阈值电压时，电荷源被触发并且有固定的电荷从该积分器中被迁移。电荷放电的速率与被施加的电压成正比，因此电荷源被触发的频率与积分器的输入电压成正比，见图3。这种VFC的输出为脉冲宽度和幅度恒定的脉冲串，占空比很低。 图3 电荷平衡式VFC的积分器输出波形 由于对信号源和参考源采用同一个电容，所以避免了电容值误差造成的影响，因此电荷平衡式VFC的准确度较高。而且负输入信号也能对输出有贡献。它的缺点是对信号电源要求较高，因为输入端通常都是运放的反相输入端，输入阻抗低，其输出波形为脉冲串而不是固定占空比的方波。 3、VFC中的误差 在大多数精密VFC中有三种误差：失调误差、增益误差和线性误差，而且它们都随温度变化。对于大多数的精密电路其失调误差和增益误差都可由用户调整，但是线性误差则不能调整。然而，如果外接电容选择适当，VFC的线性误差在一般情况下都是相当好的。 VFC设计任务及预期目标 本课题任务是基于CMOS工艺设计出电压-频率转换器（VFC），将电压信号转变为频率信号，实现高精度信号测量。VFC的灵敏度预期为1MHz/V，线性误差小于1%。 首先，详细了解各种VFC的实现原理，比较各自的优缺点。然后从中选择一项进行电路实现，给出原理图，并进行手工分析和计算机仿真。最后，根据仿真结果，评价所设计的电路的性能，并提出改进意见。 计划安排 第 1 周——第 2 周：查阅资料，撰写开题报告，英文资料翻译； 第 3 周——第 4 周：熟悉VFC工作原理和各种性能指标； 第 5 周：分析各种结构特性，选择合适的VFC结构； 第 6 周——第 7 周：熟悉IC仿真软件和CMOS工艺参数； 第 8 周——第10周：设计出正确电路，仿真得出电路性能； 第11周——第14周：分析仿真结果，提出改进方向； 第15周——第17周：毕业设计论文撰写； 第18周：答辩。 参考文献 [1] Jim Williams , Designs for High Performance Voltage-to-Frequency Converters, Linear Technology Corporation, Application Note 14, March 1986. [2] B. Calvo, N. Medrano, S. Celma, A,etc. Low