TC9400/9401/9402：电压 - 频率/频率 - 电压转换器的设计与应用

在电子工程师的日常设计工作中，电压 - 频率（V/F）和频率 - 电压（F/V）转换器是非常重要的元件，它们在很多领域都有广泛应用。今天我们就来深入探讨一下 Microchip 公司的 TC9400/9401/9402 系列电压 - 频率/频率 - 电压转换器。

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一、产品概述

TC9400/9401/9402 是低成本的 V/F 转换器，采用了低功耗 CMOS 技术。它可以接受可变的模拟输入信号，并生成一个输出脉冲序列，其频率与输入电压成线性比例。同时，该器件也可以作为高精度的 F/V 转换器，几乎可以接受任何输入频率波形，并提供线性比例的电压输出。一个完整的 V/F 或 F/V 系统只需要添加两个电容器、三个电阻器和参考电压即可。

1.1 产品特性

1.1.1 电压 - 频率转换特性

• 线性度选择：TC9401 的线性度为 0.01%，TC9400 为 0.05%，TC9402 为 0.25%。
• 频率范围：DC 到 100 kHz（F/V）或 1 Hz 到 100 kHz（V/F）。
• 低功耗：典型功耗为 27 mW。
• 电源供电：支持单/双电源操作，电压范围为 +8V 到 +15V 或 ±4V 到 ±7.5V。
• 增益温度稳定性：典型值为 ±25 ppm/°C。
• 可编程比例因子：可以根据需要灵活调整。

1.1.2 频率 - 电压转换特性

• 频率范围：DC 到 100 kHz。
• 线性度选择：TC9401 为 0.02%，TC9400 为 0.05%，TC9402 为 0.25%。
• 可编程比例因子：方便工程师进行个性化设计。

1.2 应用领域

该系列转换器的应用非常广泛，包括微处理器数据采集、13 位模数转换器（ADC）、模拟数据传输和记录、锁相环、频率计/转速计、电机控制以及 FM 解调等。

二、电气特性

2.1 绝对最大额定值

在使用 TC9400/9401/9402 时，需要注意其绝对最大额定值，超过这些值可能会导致器件永久性损坏。例如，存储温度范围为 -55°C 到 +150°C，不同类型的器件（C 器件和 E 器件）的工作温度范围也有所不同，C 器件为 0°C 到 +70°C，E 器件为 -40°C 到 +85°C。同时，不同封装的功耗也有差异，如 8 - 引脚陶瓷双列直插封装（CERDIP）为 470 mW，8 - 引脚塑料双列直插封装（PDIP）为 70 mW，8 - 引脚小外形集成电路封装（SOIC）为 470 mW。

2.2 电气规格

文档中详细列出了 TC940X 的电气规格，包括电压 - 频率转换的精度、线性度、增益温度漂移、零偏移等参数，以及模拟输入、数字部分、频率 - 电压转换等方面的特性。例如，在电压 - 频率转换中，不同型号的线性度在 10 kHz 和 100 kHz 时有所不同，TC9401 在 10 kHz 时线性度典型值为 0.004%，100 kHz 时为 0.04%。

这些电气特性对实际应用有着重要的影响。例如，线性度的不同决定了转换器在不同精度要求的应用场景中的适用性。如果对精度要求较高，如在高精度的测量仪器中，就可以选择线性度更好的 TC9401；而对于一些对精度要求相对较低的应用，如普通的电机控制，TC9402 可能就足够了。低功耗特性使得该转换器在一些对功耗敏感的设备中具有优势，如便携式设备。增益温度稳定性则保证了在不同温度环境下转换器的性能稳定，减少了温度变化对测量结果的影响。

三、引脚描述

3.1 引脚功能

文档中详细列出了 TC9400/9401/9402 的引脚功能。例如，IBIAS 引脚用于设置 TC9400 的偏置电流，通过连接一个外部电阻到 VSS 来设置偏置点；ZERO ADJ 引脚是低频调整输入，用于调整低频设定点；IN 引脚是 V/F 转换器的输入电流连接端等。

3.2 各引脚具体作用

3.2.1 偏置电流（IBIAS）

通过连接到 VSS 的外部电阻设置 TC9400 的偏置点，通常规格基于 RBIAS = 100 kΩ ±10%。减小 RBIAS 可以增加最大工作频率，但会增加线性误差，RBIAS 可减小到 20 kΩ，典型情况下可产生 500 kHz 的最大满量程频率。

3.2.2 零调整（ZERO ADJ）

该引脚是运算放大器的同相输入，通过调整该引脚的电压来确定低频设定点。

3.2.3 输入电流（IN）

是运算放大器的反相输入和 V/F 模式下的求和结点。指定输入电流为 10 μA，但高达 50 μA 的过范围电流不会对电路操作产生有害影响。电压源不能直接连接，必须通过外部电阻进行缓冲。

3.2.4 电压电容器（VREF Out）

为 CREF 提供充电电流。当运算放大器输出达到阈值水平时，该引脚内部连接到参考电压，对 CREF 充电；充电结束后，CREF 短路放电。

3.2.5 电压参考（VREF）

该引脚施加来自精密源或 VSS 电源的参考电压。TC9400 的精度取决于参考电路的电压调节和温度特性，为防止线性误差，参考电压源的直流阻抗必须足够低，建议使用 0.1 μF 的旁路电容器连接到地。

这种引脚设计的优势在于，它能够使工程师根据具体的应用需求，灵活地调整和配置电路。例如，在需要高精度测量的应用中，可以通过调整 IBIAS 和 ZERO ADJ 引脚来优化电路性能；在对频率要求较高的应用中，可以合理设置 IN 引脚的输入电流和相关参数。同时，各个引脚的功能明确，便于工程师进行电路设计和故障排查。大家在实际设计中，有没有遇到过因为引脚设计不合理而导致的问题呢？

四、详细描述

4.1 电压 - 频率（V/F）电路描述

TC9400 V/F 转换器基于电荷平衡原理工作。输入电压通过输入电阻转换为电流，该电流在积分电容上产生电荷，导致运算放大器输出电压线性下降。当输出电压达到阈值时，参考电压施加到参考电容上，使积分电容上的电荷减少，运算放大器输出上升。随着输入电压增加，维持平衡所需的参考脉冲数量增加，输出频率也随之线性增加。

4.2 电压 - 时间测量

TC9400 的输出可以在时域和频域进行测量。对于一些具有广泛定时能力但计数器能力有限的微计算机，时域测量更为适用。可以从 PULSE FREQ OUT 或 FREQ/2 OUT 输出进行定时测量，FREQ/2 OUT 是 PULSE FREQ OUT 频率的一半，为对称方波。

五、电压 - 频率（V/F）转换器设计信息

5.1 输入/输出关系

输出频率（$F{out}$）与模拟输入电压（$V{IN}$）的关系由转换方程 $Frequency Out =frac{V{I N}}{R{I N}} cdot frac{1}{left(V{R E F}right)left(C{R E F}right)}$ 确定，这表明输出频率与输入电压成正比。从搜索到的资料来看，电压频率转换在工业自动化检测传感器件等领域大量应用，该转换方程是实现电压 - 频率转换的关键理论依据。在实际设计中，我们需要根据具体的输入电压范围和期望的输出频率范围，合理选择 $R{IN}$、$V{REF}$ 和 $C_{REF}$ 的值，以满足设计要求。比如，在设计一个特定输出频率范围的 V/F 转换器时，就需要依据这个方程进行参数的初步估算。这里大家思考一下，当输入电压变化时，我们如何通过调整这些参数来保证输出频率的稳定性呢？

5.2 外部组件选择

5.2.1 $R_{IN}$

$R{IN}$ 的值应使满量程输入电流约为 10 μA，即 $R{I N} cong frac{V{I N} F U L L S C A L E}{10 mu A}$。在实际应用中，通常需要对 $R{IN}$ 进行微调以实现满量程频率。对于高精度应用，建议使用 1% 公差或更好的金属膜电阻，因为它们具有良好的热稳定性和低噪声特性。这是因为在高精度的转换过程中，电阻的稳定性会直接影响转换的准确性，像在对精度要求极高的工业控制检测电路中，如果电阻的稳定性不佳，那么输出频率就会产生较大偏差，从而影响整个系统的性能。

5.2.2 $C_{INT}$

$C{INT}$ 的精确值并非关键，但应满足 $3 C{R E F} leq C{I N T} leq 10 C{R E F}$，当 $C{INT} ≤4 C{R E F}$ 时可获得更好的稳定性和线性度。建议使用低泄漏类型的电容，如在温度限制允许的情况下，云母和陶瓷电容也可使用，并尽量靠近引脚 12 和 13 放置。这是因为电容的放置位置会影响其与其他元件的耦合效果，靠近引脚放置能减少线路干扰，提高电路的稳定性。

5.2.3 $C_{REF}$

$C_{REF}$ 的精确值同样不重要，可用于微调满量程频率。推荐使用玻璃膜或空气微调电容，因为它们具有稳定性好和低泄漏的特点，并应尽可能靠近引脚 5 和 3 放置。这样可以减少电容与其他元件之间的寄生参数影响，提高电路的性能。

5.2.4 电源

建议使用 ±5V 电源，对于高精度要求，需要 0.05% 的线路和负载调节以及位于引脚附近的 0.1 μF 圆盘去耦电容。电源的稳定性对整个转换器的性能至关重要，不稳定的电源会引入噪声和干扰，影响转换的准确性。就像在一些对电源质量要求较高的精密仪器中，如果电源波动较大，那么仪器的测量结果就会出现误差。

5.3 调整程序

对于 10 kHz 满量程频率，推荐的调整程序如下：

1. 将 $V_{IN}$ 设置为 10 mV，并调整零位调整电路以获得 10 Hz 输出频率。
2. 将 $V{IN}$ 设置为 10V，并调整 $R{IN}$、$V{REF}$ 或 $C{REF}$ 以获得 10 kHz 输出频率。按照此顺序进行调整通常不会产生相互影响，无需重复调整。这是因为先进行零位调整可以确定电路的基准点，再进行满量程调整可以确保在整个输入电压范围内输出频率的准确性。在实际操作中，我们需要仔细调整这些参数，以达到最佳的转换效果。

5.4 改进的单电源 V/F 转换器操作

单电源工作的 TC9400 电路使用两个齐纳二极管设置稳定的偏置电平，并提供参考电压。输出阻抗和温度系数会直接影响电源抑制和温度性能。满量程调整通过微调输入电流实现。不建议在高精度应用中直接微调参考电压，除非使用运算放大器作为缓冲器。该电路可直接与 12V 至 15V 的 CMOS 逻辑接口，也可通过连接输出上拉电阻到 +5V 电源来适应 TTL 或 5V CMOS 逻辑，还可使用光隔离器实现隔离输出。在设计单电源 V/F 转换器时，我们需要充分考虑这些因素，以确保电路在不同的工作条件下都能稳定运行。比如，在一些对电源要求简单的便携式设备中，单电源 V/F 转换器就具有很大的优势，但我们必须保证其性能的稳定性。

六、频率 - 电压（F/V）电路设计信息

6.1 输入/输出关系

输出电压（$V{OUT}$）与输入频率（$F{IN}$）的关系由转换方程 $V{OUT }=left[V{R E F} C{R E F} R{I N T}right] F{I N}$ 确定。响应时间为 $R{INT}C{INT}$，输出电压的纹波与 $C{INT}$ 和输入频率成反比，可通过增加 $C{INT}$ 来降低纹波，在低频情况下，1 μF 至 100 μF 的 $C{INT}$ 值是完全可行的。在单电源模式下，$V{REF}$ 定义为引脚 7 和引脚 2 之间的电压差。这意味着在设计 F/V 转换器时，我们要根据输入频率范围和对输出电压纹波的要求，合理选择 $C{INT}$ 的值。比如在一些对输出电压稳定性要求较高的精密测量电路中，就需要仔细调整 $C_{INT}$ 以降低纹波。大家思考一下，当输入频率变化较快时，如何保证输出电压的快速响应和稳定性呢？

从搜索到的资料可知，F/V 转换电路在将频率变化信号转换成按比例变化的电压信号方面发挥着重要作用，常用于各种需要将频率信息转换为电压信息的场合，如工业自动化中的传感器信号处理等。该转换方程是实现 F/V 转换的理论基础，我们可以根据它来计算和调整电路参数，以满足不同的设计需求。

6.2 输入电压电平

输入频率施加到阈值检测器输入引脚（引脚 11），其阈值约为 $(V{D D}+V{S S}) / 2$ ±400 mV，输入电压范围从 $V_{DD}$ 到阈值以下约 2.5V。如果引脚 11 上的电压比阈值低超过 2.5V，V/F 模式启动比较器将开启并破坏输出电压。阈值检测器输入具有约 200 mV 的迟滞。在 ±5V 应用中，TC9400 的输入电压电平最小为 ±400 mV。对于单极性频率源，如来自 +5V 电源的 TTL 或 CMOS，应使用交流耦合电平转换器。在单电源 F/V 应用中，可使用电阻分压器确保输入阈值跟踪电源电压，二极管钳位可防止输入电压过低导致启动比较器开启。在高温环境下，建议使用两个串联的二极管。这是因为输入电压电平的稳定性对 F/V 转换的准确性至关重要，如果输入电压超出允许范围，就会影响输出电压的质量。在实际设计中，我们需要根据具体的电源电压和输入信号特性，合理设计电平转换和保护电路。

6.3 输入缓冲

在 F/V 模式下，$F{OUT}$ 和 $F{OUT} / 2$ 通常不使用，但这些输出可用于某些应用，如作为缓冲器为其他电路提供信号。此时，$F{OUT}$ 将跟随输入频率波形，但在 $F{IN}$ 变高 3 μs 后 $F{OUT}$ 变高；$F{OUT}/2$ 将是频率为 $F_{OUT}$ 一半的方波。如果不使用这些输出，引脚 8、9 和 10 应连接到地。这可以避免不必要的干扰和信号冲突，提高电路的稳定性。在一些复杂的电路系统中，合理利用这些输出可以实现更多的功能扩展，但如果不需要，正确的接地处理是很重要的。

6.4 输出滤波

TC9400 的输出在直流电平上叠加有锯齿波纹波。如果通过积分型模数转换器（如 TC7107）将 TC9400 输出转换为数字值，纹波将被抑制。也可以通过增加积分电容的值来降低纹波，但这会降低 F/V 转换器的响应时间。使用电容倍增电路可以在不影响 F/V 转换器响应时间的情况下消除输出纹波，该电路中输出耦合电容乘以运算放大器的交流增益，建议使用中等速度的运算放大器，如 TL071。在实际应用中，我们需要根据具体的需求在纹波抑制和响应时间之间进行权衡。比如在一些对响应时间要求不高但对输出电压平滑度要求较高的电路中，可以适当增加积分电容；而在对响应时间要求严格的场合，则需要采用更合适的滤波电路来实现纹波抑制。

七、F/V 上电复位

在 F/V 模式下，上电时 TC9400 的输出电压有时会达到最大值，直到第一个脉冲施加到 $F{IN}$ 才恢复正常。在大多数频率测量应用中，这通常不是问题，因为一旦施加频率输入，电路就会正常工作。但在某些情况下，要求上电时无频率输入时输出为零，此时从引脚 11 连接到 $V{DD}$ 的电容通常足以触发 TC9400 并实现上电复位。对于对上电操作可预测性要求较高的情况，可能需要更复杂的电路。这是为了确保电路在上电时能够快速、稳定地进入正常工作状态，避免因上电瞬间的异常输出对后续电路造成影响。在设计一些对上电稳定性要求极高的系统时，我们需要仔细考虑上电复位电路的设计。

八、封装信息

8.1 封装标记信息

介绍了 14 引脚 CERDIP、14 引脚 PDIP 和 14 引脚 SOIC 封装的标记示例及相关代码含义，包括年份代码、周代码、客户特定信息、无铅 JEDEC 标识等。不同封装的标记方式有所不同，但都包含了产品型号、生产信息等关键内容。这有助于我们在生产和使用过程中准确识别和区分不同的产品。在实际生产中，正确解读封装标记信息可以避免因产品混淆而导致的错误使用。

8.2 具体封装尺寸及说明

详细列出了 14 引脚陶瓷双列直插（JD）、14 引脚塑料双列直插（PD）和 14 引脚塑料小外形（OD）封装的尺寸参数和相关说明，包括引脚数量、间距、高度、宽度、长度等尺寸的最小值、标称值和最大值，以及引脚 1 视觉索引特征的位置要求等。这些尺寸信息对于 PCB 设计和产品安装非常重要，我们需要根据封装尺寸来合理规划 PCB 上的元件布局和引脚连接。在设计 PCB 时，如果不注意封装尺寸，可能会导致元件无法正确安装或引脚连接错误，从而影响整个电路的性能。

九、产品识别系统

介绍了产品型号的编码规则，包括器件型号（TC9400、TC9401、TC9402）、温度范围（E：-40°C 至 +85°C 扩展；C：0°C 至 +70°C 商用）和封装类型（JD：陶瓷双列直插；PD：塑料双列直插；OD：塑料小外形）的组合方式，并给出了多个具体型号的示例及含义。通过这种编码规则，我们可以根据产品型号快速了解产品的特性和适用范围。在采购和使用产品时，准确理解产品识别系统可以帮助我们选择合适的产品，避免因型号选择错误而导致的性能不匹配问题。

十、其他说明

10.1 代码保护及相关声明

提醒注意 Microchip 器件的代码保护功能，指出违反代码保护可能涉及知识产权盗窃，Microchip 愿意与关注代码完整性的客户合作，但无法保证代码的绝对安全，代码保护是一个不断发展的领域。同时，Microchip 对产品信息的准确性和适用性不做保证，使用其器件用于生命支持和安全应用需自行承担风险。这提醒我们在使用 Microchip 产品时，要遵守相关的知识产权规定，同时要对产品的使用和应用负责。在涉及到知识产权保护和安全应用的项目中，我们需要更加谨慎地处理和使用产品。

10.2 商标信息

列出了 Microchip Technology Incorporated 的众多注册商标和商标，包括 Microchip 名称和标志等一系列知名品牌标识。这有助于我们了解 Microchip 的品牌知识产权情况，在使用相关产品和资料时，要注意尊重其商标权益。在宣传和推广相关产品时，要正确使用这些商标，避免侵权行为。

10.3 全球销售和服务信息

提供了 Microchip 在美洲、欧洲和亚太地区的销售和服务网点的联系信息，包括公司办公室、技术支持网址、各地办事处的电话和传真等。这方便了我们在需要技术支持或购买产品时，能够及时找到合适的联系方式。当我们在使用 Microchip 产品过程中遇到问题或需要采购产品时，可以根据这些信息联系到相应的服务网点，获取帮助和支持。

综上所述，TC9400/9401/9402 是一款功能强大的电压 - 频率/频率 - 电压转换器，在设计和使用过程中，我们需要充分了解其各项特性、参数和设计要点，根据具体的应用需求进行合理的电路设计和参数调整，同时要注意产品的封装、识别系统以及相关的知识产权和安全规定等方面的问题。希望以上内容对大家在实际应用中有所帮助，大家在设计过程中有任何疑问或经验，欢迎在评论区分享交流。