电压频率和频率电压转换电路的设计说明

./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,使之在一定时间间隔记录矩形波个数,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,遥控遥测等各种设备。〔2F/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。1.1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。1.2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0~10KHZ的峰-峰值为5V的方波,输出uo为0~10V的直流电压。2设计容总体框图设计2．1V/F转换电路的设计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,并且式中是积分前时刻电容C上的电压,称为电容端电压的初始值。所以把代入上式得当时若输入电压是图所示的阶跃电压,并假定,则t>=0时,由于,所以由此看出,当E为正值时,输出为反向积分,E对电容器恆流充电,其充电电流为E/R,故输出电压随线性变化。当向负值方向增大到集成运放反向饱和电压时,集成运放进入非线性工作状态,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～期间时,电容放电当t=1时,当时间在～期间时,电容充电,其初始值所以当t=时,。如此周而复始,即可得到三角波输出。图4波形变换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uo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,利用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。但数值应远大于积分时间,即T/2,T为输入方波的周期否则的自身也会造成较大的积分误差,电路如图4所示.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。图5滞回比较器按集成运放非线性运用特点,根据下列公式可得知,输出电压发生跳变的临界条件是。从图5可得当时所对应的值就是阀值,即当时得上阀值：当时得下阀值：由阀值可画出其传输特性。假设为负电压,此时<输出为,对应其阀值为上阀值。如逐渐使上升,只要>,则输出将不变,直至>=时,>,使输出电压由突跳至,对应其阀值为下阀值。再继续上升,>关系不变,所以输出不变。之后逐渐减少,只要>,输出+仍维持不变,直至<=时,u+<=u-,输出再次突变,由下跳至。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：其传输特性如图6所示。显然,改变UR即可改变其阀值,从而改变了传输特性,图6所示是Ur=0的情况,此时,两个电路的传输特性均以纵轴对称。图6传输特性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。图7稳压二极管2.3F/V总电路图设计原理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,而且也便于调节振荡频率和幅度。图8V/F总电路原理图图9V/F转换波形图分析图7所示电路可知,方波和三角波的振荡频率相同,其值为方波的输出幅度由稳压管决定,方波经积分后得到三角波,因此三角波输出的幅度为电路元件的选择及参数的确定〔1集成运算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。此外,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。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分压电阻和阻值的确定和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。所以和的阻值应根据三角波输出幅度的要求来确定。例如,已知,若要求三角波的峰值为,则若取=10K,则=15K。当要求三角波的幅度可以调节时,R1和则可用电位器来代替。〔4积分元件及和参数的确定和的值应根据方波和三角波发生器的振荡频率来确定。当分压电阻和的阻值确定后,先选择电容的值然后确定的阻值。对于图7所示电路,为了减小积分飘移,应尽量将电容取大些。但是电容量大的电容漏电也大。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。调整电阻的阻值,可以改变振荡频率；调整电阻和的阻值,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。图9频率/电压转换电路原理框图2.5功能模块的设计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,当然它还可以将三角波等波形变换为矩形波。过零比较器,顾名思义,其阈值电压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。uououI+UOMuIuo-UOMuI<0uI>0－＋<a>电路〔b电压传输特性图10过零比较电路及电压传输特性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。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2.6F/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13F/V总电路图设计原理如图10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、R2、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=R1×Um/〔R1+R2+R2×〔-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〔∞=E；up〔0+=R6×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=RCIn{[E-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×Um×fi从而完成了输入频率fi到输出模拟电压的转换。图14转换前的波形图15转换后的波形3设计心得两周的课程设计,增加了自己的动手实践能力。理论与实践还是有一定的差距的,在理论上不管多精确的数据,一旦用于实际中,就不得不考虑其仪器,器件的误差,以及自己操作上的能力。而且,比起以往只要照着电路连线做实验,这次更添加了自己的思考,该选择怎样的电阻,电容,想要修改最后的输出,应该在什么地方做改变。虽然是一些很基础的东西,但仅仅是书上的理论学习,会让人对知识遗忘得比较快,相反,通过自己动手实践过的东西,会更加记忆深刻。看着自己连接出来的电路,并且系统是活的,还是挺有成就感的,虽然还有很多问题存在。整个课程设计过程,不仅是一个课程设计,也让我对于课本上的知识有了更深的了解,对于知识,也更加形象化了。一味地只是看书本,背公式,计算题目,理论上好像都能理解的