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 ディスクリート VFC
・ VFC (電圧 → 周波数変換) 用途の IC はカタログには載っていて一応は手に入るようです。 しかし入手できるのは廃品種になったようなものが 多くて、しかも高価です。 望みの品種の入手はとても困難です。

出力周波数が比較的低い、同期型 VFC を考えました。(最大 20kHz 程度)

　pvfc.png

シミュレートしてみると、積分器出力スイング電圧範囲の設計が大切なことを、いまさらながら認識させられ ました。 積分器出力電圧の最大スルーレートは 0.5V/μs 程度ですから、LT1215 は高性能すぎるかも知れ ません。 あとで交換するつもりです。

最初は VF 変換の直線性誤差のシミュレートなども考えていたのですが、無理のようです。 せいぜい 積分コンデンサーに並列抵抗を入れるとか、BiSW コントロール電圧から同出力への電荷注入を 非線形コンデンサで近似するなど、大まかな結果がわかっているものしか実行できないようです。
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 順序が逆になりましたが、この VFC の用途は「PC オーディオ入力を使った高精度アナログ電圧計測」です。 入力は 4ch ±1V 程度、グランド絶縁、最大サンプリング周期 500ms 以下 (4ch)、 自動較正、バッテリー動作、部品はケチると、少し欲張っています。

PC 側では FFT を行って入力電圧に換算します。このへんは少し検討済みです。
　や缶　FFT で V/F 変換器の出力周波数を計測

現在、ハードウェアは下記のようなものを考えています。
　これ

信号は PC のマイク入力に接続しますが、オプトアイソレーターの性能によっては実用にならない おそれもあります。 その場合は受信側のフォトトランジスターを生かして使います。 それの電源は 赤外線 → 太陽電池とか。
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 ちょっと気になるのは、積分器出力に HC132 入力保護用のダイオードリミッターがあって、このせいで積分器の負荷電流が出力電圧によって変動すること です。 これはシミュレーション結果に現れるものか？ (むしろ、SwitcherCAD と opamp モデルの振る舞いを知りたい、ということですが。)

　vfe2.png

利得 -1 の反転増幅器でリミッターダイオードの直列抵抗を 1kΩ と小さめに選び、スルーレートを 大きくすれば、確かに差は現れます。 しかし積分器の場合は (不完全積分器ですが) スルーレートが 小さいこともあってか、差は見出されませんでした。 但し条件によってはわずかな差が見えます。 (きれいな平行線です。)

　vfe3.png

むやみに時間ステップを細かくして解析させれば、差が見えないこともありません。
(.tran 0 212u 211.8u、結果の一部をさらに拡大したもの)
　vfe4.png

まとめると、こうなりますかね〜
シミュレーションでは意味のあるほどの差異は出ない。 実際のことは、やってみないとわからない。
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 積分器負荷変動の影響を 評価する、もっとましな方法を思いつきました。 電圧依存電圧源 (Voltage Dependent Voltage Source) を使います。 ３種の書式のうちの、最も簡単なものです。
　Syntax: Exxx n+ n- nc+ nc- <gain>
SwitcherCAD III の GUI では、Value 欄に <gain> を表す数値を書くだけです。 今回は "1" にしました。

　vfe5.png

　一挙にグラフ表示できます。( V(o2-o1), V(o4-o3) )
　vfe6.png
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 ここで SwitcherCAD が役に立つといえば、積分器入力抵抗 (入力、基準、バイポーラオフセットの３つ) と 積分コンデンサーの容量、積分器出力スイング範囲を一挙に確認できることです。 暗算や 電卓で何度も計算するのはつかれます。

特に同期型 VFC の場合、積分器出力電圧が設定値を超えてもすぐには逆電圧の積分が始まらず、計算が めんどうなので、とても助かります。



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