信号转换电路IV-频率电压转换电路

1、1电压频率转换电路电压频率转换电路在调频，锁相和在调频，锁相和A/DA/D变换等许多技术变换等许多技术领域应用领域应用广泛广泛定义：定义：V/f (V/f (电压电压/ /频率频率) )转换器能把输入信号电压转换成相应的频转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号，即它的输出信号频率与输入信号电压值成比例，故率信号，即它的输出信号频率与输入信号电压值成比例，故又称为电压控制又称为电压控制( (压控压控) )振荡器振荡器(VCO)(VCO)。应用：应用：2 -U V - + + N1 - + + N2 R2 -E ui R1 R3 C R4 R5 R6 R7 R8 R9 uC uP VS1 VS

2、2 VS3 uo 一、积分复原型一、积分复原型-组成：组成：积分器、比较器和积分复原开关等积分器、比较器和积分复原开关等 O U1 U2 uT uo T1 T2 t uC U2 U1 t t O O uP 1、 N1 输入偏置电流要小2、 N2的响应时间小3、 R1或者C, Tr/Tp小输入电压越大输入电压越大，电容，电容C充充电电流及锯齿波电压的电电流及锯齿波电压的斜率就斜率就越大，因此每次越大，因此每次达到负向门限电压达到负向门限电压U2的的时间也越短，时间也越短，输出输出脉冲脉冲的频率就越高。的频率就越高。频率调制频率调制37616767ZRRUUURRRR 7626767ZRRUUUR

3、RRR 由由N2、R5R8组成的滞回比较器的正相输入端两个门限电平为组成的滞回比较器的正相输入端两个门限电平为（1 1）ui 0，uC0， uo输出负向限幅输出负向限幅电压电压-Uz,V,V截止。截止。（2 2）ui 0，uC负向增加，负向增加， uCU2时，比较器输出时，比较器输出uo由负向限幅电压突变为正向限由负向限幅电压突变为正向限幅电压，幅电压，V V导通，电容导通，电容C C通过通过R R3 3放电，积分器输出迅速回升。放电，积分器输出迅速回升。 uo通过正反馈电路使比通过正反馈电路使比较器同相端电压较器同相端电压up突变为突变为U1。（3）当积分器输出回升到）当积分器输出回升到uC

4、U1时，比较器输出又由正向限幅电压突变为负向限幅时，比较器输出又由正向限幅电压突变为负向限幅电压，电压，V又处于截止状态，同时又处于截止状态，同时up恢复为恢复为U2，积分器重新开始积分。，积分器重新开始积分。4积分器在充电过程的输出电压为积分器在充电过程的输出电压为 011tCiutu dtR C 令充电持续时间为令充电持续时间为T1，则有，则有1121iuTUUR C1121iR CUUTu（1 1）充电时间）充电时间T1T1设设 rce 为晶体管为晶体管V的集电结的集电结ce结电阻，结电阻，充放电充放电周期为周期为为提高为提高V/f转换的线性度，要求第一项远远大于第二项转换的线性度，要求

5、第一项远远大于第二项 011211ifuTR CUU1232()ceUUIRr放电持续时间放电持续时间T2为为21212312|2()ceUUUUTCRrCIUU311212122()()|ceiRrCRTTTUUCuUU（2 2）放电时间）放电时间T2T2，U15特点特点n因为复位电路具有非线性，所以精度和动态范围受到限制。因为复位电路具有非线性，所以精度和动态范围受到限制。n提高精度的主要措施是缩小复位时间。提高精度的主要措施是缩小复位时间。若要使非线性误差从若要使非线性误差从1 1提提高到高到0.01%0.01%，则复位时间必须减小到最小信号周期的，则复位时间必须减小到最小信号周期的0.

6、010.01以下。以下。当额定工作频率为当额定工作频率为10KHZ10KHZ时，信号的最小周期为时，信号的最小周期为0.1ms,0.1ms,这样，复位这样，复位时间必须小于时间必须小于0.01uS0.01uS，这个要求通常很难满足。，这个要求通常很难满足。n必须改进复位电路，限制它的非线性影响。必须改进复位电路，限制它的非线性影响。n常采用常采用电荷平衡法电荷平衡法，而集成压频变换器几乎都是按这种方案设计的。，而集成压频变换器几乎都是按这种方案设计的。利用这种方法，可以得到精度很高，动态范围很宽的压频变换器。利用这种方法，可以得到精度很高，动态范围很宽的压频变换器。6二、电荷平衡型二、电荷平衡

7、型电荷平衡型电荷平衡型U/f转换电路及波形图转换电路及波形图（1）输出脉冲频率与输入电流有精密的线性关系。（2）易于集成化。将积分器，比较器，定时电路，恒流源和缓冲器集成在一块硅片上，应用时外加少量元件，就能调节比较器的门限电位，定时电路的输出脉宽和恒流源的输出电流，从而提高了其适应能力。在一个在一个周期周期T=t0+t1中中，积分，积分电容电容充电电荷量充电电荷量与与放电的电荷量相等放电的电荷量相等，即即iT= Ist0输出脉冲频率可表示为输出脉冲频率可表示为 f = 1/T = i/（ Ist0 ）优点优点7Ui电荷平衡型电荷平衡型U/f转换电路转换电路电荷平衡型电荷平衡型复位电路由复位电

8、路由定时电路、恒流源定时电路、恒流源IjIj和二和二极管极管D1,D2D1,D2组成，复位电路的工作由比组成，复位电路的工作由比较器较器A2A2控制，控制，每当比较器的输出从高每当比较器的输出从高电位变到低电位时，定时电路就输出电位变到低电位时，定时电路就输出一个脉宽固定为一个脉宽固定为T Tj j的负脉冲，使的负脉冲，使D2D2截截止，止，D1D1导通，导通，可见，比较器的输出每可见，比较器的输出每变换一次状态，复位电路从积分电容变换一次状态，复位电路从积分电容上取走一份固定的电荷量上取走一份固定的电荷量I Ij jT Tj j。 8单稳态触发器触发器有两个稳定的状态，即0和1，所以触发器也

9、被称为双稳态电路。与双稳态电路不同，单稳态触发器只有一个稳定的状态。这个稳定状态要么是0，要么是1。单稳态触发器的工作特点是：(1)在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态；(2）在受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入“暂稳态”。假设稳态为0，则暂稳态为1。（3）经过一段时间，单稳态触发器从暂稳态返回稳态。单稳态触发器在暂稳态停留的时间仅仅取决于电路本身的参数。9集成V/F转换器LM1311 整个周期内，RL在消耗电荷2 恒流源提供电荷（充电）的时间由单稳触发器的暂态决定3 电荷平衡（电源提供的电荷量等于电阻消耗的电荷量）102021-11-11ui u6，输

10、入比较器输出高电平，输入比较器输出高电平，单稳态定时器输出端单稳态定时器输出端Q Q为高电平，为高电平，V V导通，导通，uo=UoL0V，开关，开关S S闭合，闭合，精密电流源输出电流精密电流源输出电流i is s对对CL充电，充电， u6逐渐上升。与引脚逐渐上升。与引脚5 5相连的芯片相连的芯片内放电管截止，电源内放电管截止，电源U U经经Rt对对Ct充充电，电，Ct电压上升。电压上升。u us s=u=uCtCt2U/32U/3时，单稳态定时时，单稳态定时器输出端器输出端Q Q为低电平，为低电平，V V截止，截止， u uo o = = U UoHoH = +E = +E，电流开关，电流

11、开关S S断断开，开， C CL L通过通过R RL L放电，使放电，使u u6 6下下降。降。 CtCt通过芯片内放电管快通过芯片内放电管快速放电到零。速放电到零。当当u u6 6 u ui i时，又开始第二个时，又开始第二个脉冲周期，如此循环，输出脉冲周期，如此循环，输出端便输出脉冲信号。端便输出脉冲信号。11设输出脉冲设输出脉冲信号周期信号周期T，输出为低电平，输出为低电平(uo 0V)的的持续时间持续时间to期间期间，电流，电流is提供给提供给CL、 RL的总电荷量的总电荷量QS为为 1.9oSSoStQi tVR周期周期T内流过内流过RL的总电荷量的总电荷量(包括包括is提供及提供及

12、CL放电提供放电提供)QR为为 RLQi TiL 流过流过RL的平均电流。的平均电流。u6在很小的区域在很小的区域(大约大约10mV)内波动内波动，近似，近似取取u6ui，则，则iLui/RL，故有，故有 iRLuQTR由定时电容由定时电容Ct的的充电方程式充电方程式可求得可求得21exp3oC ttttuUUR Cln 31.1otttttR CR C根据电荷平衡原理，周期根据电荷平衡原理，周期T内内is提供的电荷量应提供的电荷量应等于等于T内内RL消耗掉的总电荷量，即消耗掉的总电荷量，即QS=QR，由此可由此可求得输出求得输出脉冲信号频率脉冲信号频率fo为为11.91.12.09SiSio

13、ttLttLR uR ufTR C RR C R12元器件的选择元器件的选择n电阻Rs、RL、Rt和电容Ct直接影响转换结果f0 ,因此对元件的精度有一定的要求；n在电路中电阻均采用精密电阻；n电容采用漏电流小的云母电容；n电容CL对转换结果虽然没有直接的影响,但应选择漏电流小的电容器；11.91.12.09SiSiottLttLR uR ufTR C RR C R13三个组成部分：电平比较器，单稳态触发器和低通滤波器定义：定义：把频率变化信号线性地转换成电压变化信号的转换器称为把频率变化信号线性地转换成电压变化信号的转换器称为f/V转换器。转换器。f/Vf/V转换电路转换电路放大与电平鉴别器

14、单稳态触发器 低通滤波器usUsUsuoOc)ustttOOb)a)Usuo工作原理：工作原理：输入信号输入信号us通过通过比较器转换成快速上比较器转换成快速上升升/下降的方波信号去下降的方波信号去触发单稳态触发单稳态触发器，触发器，产生定宽产生定宽(Tw)、定幅度、定幅度(Um)的输出的输出脉冲。脉冲。将此脉冲序列经低通滤波器平滑，可将此脉冲序列经低通滤波器平滑，可得到比例于输入信号得到比例于输入信号频率频率fi的输出电压的输出电压uo=TwUmfi。-窄脉冲鉴频窄脉冲鉴频14 R12 R C R3 R4=100R3 u1 -E +E C1 R5 uN uP VD3 VD4 R9 R7 R8

15、9 V2 R6 R10 V1 VS Um R2 u2 R11 ui +E -E VD1 VD2 R1 C2 - + + N1 - + + N2 - + + N3 +E f/Vf/V转换电路转换电路滞回比较器单稳复位电路低通滤波器高通滤波器跟随器uo15f/V转换电路16集成集成f/V转换器转换器 图6-20 LM131用作f/V转换电路原理图 +U RS 触发器 - + 输入比较器 ui Rt Ct RLiSiS CL RS 4 5 6 7 8 1 2 3 S R Q - + 定时比较器 Rd Cd R1 R2 R 2R V u6 U1 U2 u5 U- U7 S uo Q 无信号输入： U10， U20,