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AD7750乘积频率转换器的原理及应用

中国科学院长春物理研究所(130021)徐健
北京市英赛尔器件集团(100044) 高工

摘要：介绍了美国ADI公司最新推出的AD7750乘积频率转换器的主要特性、基本电路结构、应用考虑和应用实例。
关键词：乘积频率转换器(PFC) 输出频率高通滤波器相位补偿

1 概述
AD7750乘积频率转换器(PFC)是美国模拟器件公司(ADI)1997年推出的一种功能很强的高性能器件。它能够将两个输入模拟信号(电压或电流)相乘积转换成与其成正比的输出频率。这种PFC既可以看成是一种乘积电压的压频转换器(VFC)，又可以看成是一种结果数字化的模拟乘法器。PFC用于功率计电路极为方便，它可将电压与电流相乘积转换成频率，即直接数字
化，可以取代传统的模拟乘法器外加模数转换器的解决方案，因此PFC又称之为功率频率
转换器。

AD7750主要特性：

(1)输出方式和最高输出频率可选择。选择低频适合驱动步进电机，选择高频便于校准和测
试。

(2)带符号输入方式，输出按4象限乘法结果表示；
不带符号输入方法，不论输入正负极性如何，总是用输出绝对值表示。

(3)反相指示器输出引脚(REVP)为高电平表示检测功率为负。加电后REVP复位为零。

(4)采用06μ双边(double ploy)CMOS工艺，确保高精度、低功耗(+5V单源)和低价格。

(5)任一通道模拟输入线性误差均优于005%。

(6)DIP和SOIC封装，引脚排列见图1。

图1 AD7750引脚排列

2 基本电路结构
AD7750的基本电路结构如图2所示。它主要包括：两个模数转换器(ADC)，一个数字乘法器，一个数字频率转换器(DFC)，一个基准源(25±025V，温漂50ppm/℃)和其它信号调节电路。

图2 AD7750结构框图

AD7750输入级采用独特的开关电容结构，在 +5V 单电源情况下允许双极性模拟输入。它
有4个模拟输入端：V1（＋），V1（-），V2（＋）和V2（-），可组成两个差动输入或单端输入通道。每个通道输入阻抗最小400kΩ。其中1通道差动放大器的增益可选择1(控制端G1=0，低电平)或16(G1=1，高电平)，2通道的增益固定为2。1通道中的高通滤波(HFP)可以切换到信号通道(当控制端ACDC=1时，接通；当ACDC=0时，切断)以消除失调电压的影响。
输入级带有保护电路。用箝位二极管将输入过压限制到电源电压。输入电压额定值为±6V。
AD7750通过两个2阶ΣΔ调制器将输入的模拟量转换成数字量。为了对调制器输出的量化
噪声进行整形，对输入的模拟量数字化之后立即进行低通滤波。为了消除调制器输出端可能出现的直流失调，用户还可以在信号路径外加可选择的无限脉冲响应(IIR)高通滤波器。这样当两路模拟输入信号经过滤波处理，将两个数字量相乘之后再送入DFC。它将n位数字量转
换成同步脉冲串，其频率与两个瞬时模拟输入信号的乘积成正比。

3 应用考虑

31 输入范围
确定每个通道的输入范围，必须考虑两点：
(1)相对地单端输入电压不能超过±1V(G=1)。
(2)加到ADC的差动输入电压不能超过±2V。
例如当G1=1,即1通道增益G=16时，单端输入V1max=±125mV；互补差动输入
V1max=±625mV。2通道互补差动输入V 2max =±05V，G=2。

32 输出频率
为了驱动外部设备，例如步进电机，可采用低频输出方式。这时两个输出频率F1和F2波形图如图3所示。F1和F2是两个交流负脉冲串，脉宽均为275ms，其最高输出频率可由FS，S1和S2输入控制信号设置。F2相对F1迟后(Tdelay)，总是位于两个相继F1脉冲的中点。应当指出的是，F1和F2的输入脉宽是固定的，但它们的输出频率是由两个差动输入端的模拟输入电压乘积决定的。最高输出频率由FS，S1和S2的设置决定，当FS=0时，F max1 =68Hz；当FS=1时，F max2 =136Hz。对于F1，F2和FOUT 最高输出频率请见表1。

图3 F1，F2和F OUT 输出波形

为了初始校准和测试，可采用高频输出方式。在这种工作方式下，F OUT 输出信号可用来驱动红外LED或微控制器，从而可提供附加的功率监测能力。图3还示出了F OUT 正脉冲的波形图，它可对F max1 和F max2 倍频，最高频率可达184Hz，见表1。F OUT 的脉宽通常设置为90ms，但是为了保证输出脉冲串的频率，其脉宽不能超过50%占空比。

33 相位补偿
1通道设有HPF是为了消除1通道的失调电压，以保证交流功率测量精度。然而，HPF伴随出现相位超前：90°-tan -1 (f/2125)，其中f是线电压频率。因此在50Hz线电压频率下，1通道(电流)与2通道(电

表1 F1，F2和F OUT 最高输出频率

FSS2S1 工作方式F1，F2 (Hz)F OUT (Hz)
000功率测量方式双极性频率标度
F max1 ±k1 F max1 16(F max1 ±k1 F max1 )
001功率测量方式单极性频率标度
0～k1 F max1 8(0～k1 F max1 )
010功率测量方式单极性频率标度
0～k1 F max1 16(0～k1 F max1 )
0111通道监测方式双极性频率标度
F max1 ±k1 F max1 32(F max1 ±k2 F max1 )
100功率测量方式双极性频率标度
F max2 ±k1 F max2 8(F max2 ±k1 F max2 )
101功率测量方式单极性频率标度
0～k1 F max2 16(0～k1 F max2 )
110功率测量方式单极性频率标度
0～k1 F max2 32(0～k1 F max2 )
1112通道监测方式双极性频率标度
F max2 ±k1 F max2 16(F max2 ±k2 F max2 )

注：
F max1 =CLKIN/2 19 =358MHz/2 19 =68Hz，
F max2 =2F max1 =136Hz
k1是指在功率测量方式下，1通道和2通道差动输入电压乘积的比例系数。
k1=(132×V1×V2×G)/V2 REF
其中V1，V2为峰值电压。
对于正弦交流输入，V1和V2应转换成有效值，此时
k1=(132×V1/2×V2/2×G)/V2 REF
=(066 V1×V2×G)/V2 REF =02112
其中V REF =25V，V1×V2×G最大值取2。
对于直流输入，k1=2×02112=04224
k2是指在功率监测方式下，1通道差动输入电压V1，或2通道差动输入电压V2的比例系
数。
k2=(081×V)/V REF ，
其中V=V1×G或V2×2
对于交流正弦输入，
k2=(081×V/2)/V REF =081/25=0324，
其中V/2最大值取1。
对于直流输入，
k2=2×0324=0628

压)之间的相位差为243°。
为了对这种相位超前进行补偿，应在1通道引入相位滞后电路，如图4所示。

图4 单端输入相位补偿电路

如果对差动输入引进相位补偿电路，请参见图5。其中Rct是电流变压器分流电阻，一般
约为1～2Ω。

图5 差动输入相位补偿电路

4 应用实例

AD7750主要用于功率测量，典型功率计需要测量两个参数：线电压与电流。线电压可以通过
电阻分压器或电压变压器来测量；电流可以通过分流电阻器、电流变压器或霍尔效应器件来
测量。为了说明AD7750如何用于功率计中，首先计算20A/220V功率计所需要的满度输出脉冲频率。对于20A×220V或44kW/hr最大功率测量(保留小数点1位精度)，每秒钟需要的脉冲数为4400/60×60×10=0122Hz。如果要求AD7750的FS=0，那么S1和S2不论如何设置都可使交流输入信号最大满度频率达145Hz。用AD7750构成的最简单实用的单相两线功率计电路如图6所示。其中分流电阻器R SH 为200μΩ。像许多ADC一样，为达到最佳性能需要适当地去耦。AD7750仅用+5V单电源，所以用C3=C4=100μF/25V电解电容，C5=C6=01μF片电容接在靠近电源和基准源输入端，用来对低频和高频去耦。为了提供+5V工作电源，对交流火线进行滤波和全波整流，再对其输出电流用齐纳二极管Z1=51V，300mW进行稳压，其中C1=047μF/250Vac，C2=100μF/50V电解电容，R1=470Ω，5%，2W；R2=560Ω，1%，1/4W；D1=D2=IN4007二极管，8脚REFOUT与9脚REFIN短接，使用内部25V基准源。
图6中其它元件参数为：C7～C10=001μF；R3，4，6，9= 1kΩ，1%，1/4W；R5=560kΩ，1%，1/4W； R7，8= 1kΩ，1%，1/4W；D3为红色发光管；D4为绿色发光管；D5为红外管；XTAL=3579545MHz；M=步进电机，步进角180°；MOV=电源，额定250V。

因为AD7750的输入级使用ΣΔADC，所以其4个差动输入端的每一端如图所示都有一个RC抗混叠滤波器。应当指出的是，即使7脚V2(-)输入端无用，为了匹配，此输入端也要加一个抗混叠滤波器。为了调整内部电压基准引起的增益误差，利用一个电位器VR1=200E(10圈)与模拟输入电压分压器R6串联。应当注意的是，VR1的位置是任意的，也可以将它与分流电阻器相串联使用。可以将AD7750产生的低频脉冲输出驱动一个步进电机，通过计数器来测量使用的功率。图6中所示的功率计，FS，S2，S1可设置成110，按照表1，F1和F2满度输出频率都以 Fmax2(136Hz)为基准。对于交流输入信号，F OUT 最大输出频率为92Hz，它可接到一个红外二极管，用来与功率计通信。由于测量方式采用单极性，所以功率为零，只能用0 Hz表示。

有关AD7750的详细应用资料及选购业务，请与北京市英赛尔器件集团及其分公司联系。电话
：北京(010)68495747，68485746；西安(029)8225266；成都(028)5570580；上海(021)64851134

参考文献
1 Analog Devices Inc.,AD7750 ProducttoFrequency Converter,Data Sheet,(1997)
图6 单相两线功率计电路

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