电压频率与频率电压转换电路的设计

1、设计一个V/F转换器，研究其产生的输出电压的频率随输 入电压幅度的变化关系。1绪论(1)电压/频率转换即v/f转换，是将一定的输入信号按线性的比例关系转换成 频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。它的功能是将输入直流电压转 换频率与其数值成正比的输出电压，故也称电压控制振荡电路。如果任何一个物理量通过传感器转换成电信号后，以预处理变换为合适的电压信号，然后去控制压控振荡电路，再用压控振荡电路的输出驱动计数器，使之在一定时 问问隔内记录矩形波个数，并用数码显示，那么可以得到该物理量的数字式测量仪表。图1数字测量仪表电压/频率电路是一种模/数转换电路，它应用于模/数转换，调频，遥控遥测等

2、 各种设备。(2) F/V转换电路F/V转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号。这种电 路主要包括电平比较器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。它有通用运放 F/V转 换电路和集成F/V转换器两种类型。2.1 设计要求设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波的电路，要求包括：积分器；电压比较器和一个将给定频率的矩形波转换为直流电压的电路，要求包括：过零比较器、 单稳态触发器、低通滤波器等。2.2 设计指标(1 )输入为直流电压0-10V,输出为f=0-500Hz的矩形波。(2)输入ui是010KHz勺峰-峰值为5V的方波，输出uo为010V的直流电压。2设计内容总体框图设计2.

3、 1 V/F转换电路的设计2.1.1 工作原理及过程积分器和滞回比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图2所示，比较器输出的矩形波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成矩形波，这样 便可构成三角波，矩形波发生器。由于采用集成运放组成的积分电路，因此可以实现恒流充电，能够得到比较理想的矩形波。通过分析可知，矩形波幅值大小由稳压管的稳定电压值决定，即方波的幅值矩形波的振荡频率1R34RC R2VoLM =M2.1.2 模块功能积分器：积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即输入电压与输出电压的积 分成正比。滞回比较器：用来输出矩形波，积分器得到的三角波可触发比较器自动翻转形成 矩形

4、波。稳压管：用来确定矩形波的幅值。图2 总体框架图2.2 功能模块的设计2.2.1 积分电路工作原理积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即输入电压与输出电压的积分成正 比。由于同相积分电路的共模输入分量大， 积分误差大，应用场合少，所以不予论述, 本课程设计用到的是反相积分电路。图3积分器反相积分电路如图3所示，电容器C引入交流并联电压负反馈，运放工作在线 性区。由于积分运算是对瞬时值而言的，所以各电流电压均采用瞬时值符号。由电路得因为“-”端是虚地，即U-=0,并且Uo - -Ucu1 . ，小Uc = C . Icdt Uc (0)式中Uc(0)是积分前时刻电容C上的电压，称为电容端电压

5、的初始值。所以1.Uo = - Uidt-UcRC把ic =ii =匕代入上式得R1，Uo = - Uidt -Uc(0)RC当 uc(0) =0 时1.Uo = - UidtRC若输入电压是图所示的阶跃电压，并假定Uc(0) =0，贝U t>=0 时，由于 Ui = E ,所以Uo1EEdt = -tRCRC由此看出，当E为正值时，输出为反向积分，E对电容器，仰流充电，具充电电流为E/R,故输出电压随线性变化。当Uo向负值方向增大到集成运放反向饱和电压 Uol 时，集成运放进入非线性工作状态，u0=Uol保持不变，图3所示。如输入是方波，则输出将是三角波，波形关系如图4所示。当时间在0

6、匕期间时，Ui = -E电容放电UoRCt1E-Edt t0RC当 t二 t1 1 时，Uo =+U°m当时间在匕t2期间时，Ui=+E电容充电，其初始值1uC =RC所以t21 t21 Edt Uc(G)=而产出 70mt2Edt Uom-1iUo - -Uc -RC当t= t2时，U0=-Uom。如此周而复始，即可得到三角波输出。上述积分电路将集成运放均视为理想集成运放，实际中是不可能的，其主要原因是存在偏置电流，失调电压，失调电流及其温漂等。因此，实际积分电路U0 与输入电压关系与理想情况有误差，情况严重时甚至不能正常工作。解决这一情况最简便 的方法是，在电容两端并接一个电阻R

7、f ,利用Rf引入直流负反馈来抑制上述各种 原因引起的积分漂移现象。但RfC数值应远大于积分时间，即T/2 , T为输入方波 的周期否则Rf的自身也会造成较大的积分误差，电路如图4所示.2.2.2 滞回比较器简单的电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，如果输入信号因受干扰在阀值附近变化，如图所示，现将此信号加进同相输入的过零比较器， 则输出电压将发生不应该出现的跳变，输出电压波形如图所示。用此输出电压控制电 机等设备，将出现错误操作，这是不允许的。滞回比较器能克服简单的比较器抗干扰能力差的缺点，滞回比较器如图5所示。滞回比较器具有两个阀值可通过电路引入正反馈获得。按集成运放非线

8、性运用特点, 件是U_ = u+ O图5 滞回比较器根据下列公式可得知，输出电压发生跳变的临界条从图5可得U- - U RRU .二RiRfUr/uoRf时所对应的5值就是阀值，即当 Uo -UOL当Uo=UohUTH - (1 T-)U R Rf时得上阀值：UTH1 = (1 T-)U R Rf时得下阀值：R RfUoRfUoLUTH 2 = (1由阀值可画出其传输特性。假设RfUi)URRfU OH为负电压，此时U+<U_输出为Uol阀值为上阀值 UtH1 。如逐渐使 Ui上升，只要Ui >U TH1 ,则输出Uo U OL,对应其将不变，直至U>=UTH1时，u+>

9、;u_ ,使输出电压由UOL 突跳至UOH ,对应其阀值为下 阀值UTH2 。 ui再继续上升，u+>u_关系不变，所以输出uo = U0H 不变。之后 Ui逐渐减少，只要Ui>UTH2，输出Uo+Uth2仍维持不变，直至Ui<=UTH2时,U+<=U-,输出再次突变，由Uoh下跳至Uol 。其同相滞回比较器的传输特性如图6所示。同样的方法可求得反相滞回比较器的阀值电压和传输特性: RfUR RUohUthi :R2 RUTH2RfUR + RUoLR RUR其传输特性如图6所示。即可改变其阀值，从而改变了传输特性，图 6所示是两个电路的传输特性均以纵轴对称。显然，改变

10、Ur=0的情况，止匕时,U 1图6传输特性2.2.3 稳压管稳压二极管的工作原理是利用 PN结的击穿特性。稳压二极管反向击穿后的伏安 特性是十分陡峭的，也就是说，通过稳压管的电流有很大变化时，其两端电压变化却 很小，几乎是恒定的。利用这种特性可以构成所要求的稳压电路，为限流电阻，用来限制稳压管中的最大电流。输入电压或负载发生变化而引起稳压管电流变化时，输 出电压即稳压管两端电压几乎为一恒定值。O图7稳压二极管2.3 F/V总电路图设计原理2.3.1 方波和三角波发生电路形式的选择由集成运放构成的方波和三角波发生器的电路形式比较多，但通常均由滞回比 较器和积分电路组成。按积分电路的不同，又可分为

11、两种类型：一类是由普通 RC积 分电路和滞回比较器构成，另一类由恒流充放电的积分电路和滞回比较器组成。常用的三角波和方波发生电路是由集成运放组成的积分器和滞回比较器组成，如图7所示。由于采用了由集成运放组成的积分器，电容 C始终处在恒流充，放电状 态，使三角波和方波的性能大为改善，不仅能得到线性度较理想的三角波，而且也使于调节振荡频率和幅度图8 V/F总电路原理图图9 V/F转换波形图VOM 1分析图7所示电路可知，方波和三角波的振荡频率相同，其值为4R1C R2方波的输出幅度由稳压管 Dz决定，方波经积分后得到三角波，因此三角波输出的幅度为2.3.2 电路元件的选择及参数的确定(1)集成运算

12、放大器的选择输出由于方波的前后沿时间与滞回比较器的转换速率有关，当方波频率较(几十千赫 兹以上)或对方波前后沿要求较高时，应选择高速集成运算放大器来组成滞回比较器。 (2)稳压管的选择稳压管的作用是限制和确定方波的幅度。止匕外，方波幅度和宽度的对称性也与稳 压管的对称性有关。为了得到稳定而且对称的方波输出，通常选用高精度双向稳压二 极管，如2DW7 o R是稳压管的限流电阻，其值根剧所用稳压管的稳压电流来确定。 (3)分压电阻R3和R2阻值的确定R3和R的作用是提供一个随输出方波电压而变化的基准电压并由此决定三角波 的幅度输出。所以 R3和R2的阻值应根据三角波输出幅度的要求来确定。例如，已

13、知Vz=6v ,若要求三角波的峰值为Vomi=4v ,则若取R=10K ,则R=15K。当要求三角波的幅度可以调节时，R1和R则可用电位器来代替。(4)积分元件及和C参数的确定R和C的值应根据方波和三角波发生器的振荡频率力来确定。当分压电阻R和R2的阻值确定后，先选择电容C的值然后确定R的阻值。对于图7所示电路，为了减小积分飘移，应尽量将电容C取大些。但是电容量大的电容漏电也大。2.3.3 方波和三角波发生电路的调试方法方波和三角波发生电路的调试，应使其输出电压幅度和振荡 频率坊铝浦足授计 要求。为此，可用示波器测量方波和三角波的频率和幅度。调整电阻 R的阻值，可 以改变振荡频率f。；调整电阻

14、R2和R的阻值，可以改变三角波的输出幅度。2.4 频率/电压转换电路的设计频率/电压转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号。这 种电路主要包括电平比较器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。它有通用运放频率 /电压频率/电压转换电路和集成频率/电压转换器两种类型。W 口图9 频率/电压转换电路原理框图2.5 功能模块的设计2.5.1 过零比较器过零比较器的工作原理是将输入信号与0V地电压进比较来判定输出是高电平还是低电平，例如反相输入端输入的过零比较器在输入正弦信号时，在正弦波的正半周 时输出为低电平，而在正弦波的负半周时输出为高电平。这样就把正弦波变成矩形波 了，当然它还可以将

15、三角波等波形变换为矩形波。过零比较器，顾名思义，具阈值电 压Ut=0V。电路如图9(a)所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+Uom或-Uom 当输入电压uI<0V时，Uo=+Uom ;当输入电压ui>0V时，Uo=-Uom。因此，电压传输 特性如图9(b)所示。(a)电路- uo+Uomul<0dk ul-Uom ul>0(b)电压传输特性图10 过零比较电路及电压传输特性2.5.2 单稳态触发器我们知道，因为触发器有两个稳定的状态、即 0和1,所以触发器也被称为双稳 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

16、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。图11 单稳态触发电路此电路可用在一些自动控制系统中。电阻 R1、R2组成分压电路，为运放 A1负输 入端提供偏置电压U1,作为比较电压基准。静态时，电容 C1充电完毕，运放A1正输 入端电压U2等于电源电压V+,故A1输出高电平。当输入电压 Ui变为低电平时，二 极管D1导通，电容C1通过D1

17、迅速放电，使U2突然降至地电平，此时因为 U1>U2 故运放A1输出低电平。当输入电压变高时，二极管 D1截止，电源电压R3给电容C1 充电，当C1上充电电压大于U1时，既U2>U1 A1输出又变为高电平，从而结束了一 次单稳触发。显然，提高U1或增大R2、C1的数值，都会使单稳延时时间增长，反之 则缩短。如果将二极管D1去掉，则此电路具有加电延时功能。刚加电时， U1>U2运放A1 输出低电平，随着电容C1不断充电，U2不断升高，当U2>U1时，A1输出才变为高电 平。2.5.3 低通滤波器低通滤波器是容许低于截至频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波

18、装置。低通滤波器原理：它是利用电容同高频阻低频，电感通低频阻高频的原理。对于需 要截止的高频，利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过，对于需要的低频，利用电 容高阻、电感低阻的特点是它通过。一个可以作为低通滤波器的简朴电路包括与一个负载串联的电阻以及与负载并联 的一个电容。电容有电抗作用阻止低频信号通过，低频信号经过负载。在较高频率电 抗作用减弱，电容起到短路作用。这个区分频率（也称为转换频率或者截止频率（Hz） 由所选择的电阻和电容所确定。图12 低通滤波器原理图2.6 F/V总电路图设计原理包括以上分析的三个部分：电平比较器，单稳态触发器和低通滤波器。图13 F/V 总电路图设计原理如图1

19、0运放构成的F/V转换电路。放大器N1及R3 R4构成电压比较器，二极管 VD1 VD2为输入限幅保护；N2及R1、 R2、 R5 R6 R C、 R7 R22 VT2构成低通滤 波器；N3为隔离用输出放大器。当有输入信号ui时，比较器N1将输入信号转换相同 频率的方波u,再经过微分电容C1和二极管VD3把上升的窄脉冲送至单稳态 N2的输 入端。在常态下uN为负电位、N2输出为高电平，三极管 VT1、VT2导通，u2为低电 平。N1送来的正脉冲使N2翻转、输出变为低电平；这时VT1截止，u2变为高电平(其 值为稳压管VS的稳压值Um, uN保持在高电平UH其值为UH=R1XUm/ (R1+R2) +R2X (-E) / (R1+R2同时VT2截止，使电容C被+E通过R充电，N2同向输入up随之变化，其值为Up (t) =up (°°) +up (0+) -up (°°) e-t/ t式中，up(8) =E; up (0+) =R6X E/ (R+R6。当C被充电到up>UH时，N2再翻转到达稳定状态，充电时间经历 TW它的值为TW=RCInE-up(0+)/E-UH转换电路的各点电压波形关系如图11,图12所示，通低滤波后，电路输出电压平均 值为u0=Tw x UmX fi图14