电压频率和频率电压转换电路的设计

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。 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 设计内容 总体框图设计 2．1 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，因此可以实现课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 2 页 共 14 页 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

OLMZVV 。 矩形波的振荡频率 2.1.2 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。

312

1

4RfRCR课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸

第 3 页 共 14 页 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

oCuuu 1(0)CCCuidtuC 式中(0)Cu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 1(0)oiCuudtuRC 把1iCuiiR 代入上式得 1(0)oiCuudtuRC 当(0)0Cu时 1oiuudtRC 若输入电压是图所示的阶跃电压，并假定(0)0Cu,则t>=0时，由于iuE ， 所以 1oEuEdttRCRC 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ou向负值方向增大到集成运放反向饱和电压OLU

时，集成运放进入非线性工作状态，oOLuU 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0～1t期间时，iuE电容放电

101toEuEdttRCRC 当t=1t 1时，oomuU 当时间在1t～2t 期间时，iuE电容充电，其初始值 11()()CoomututU 2211111()ttCComttuEdtutEdtURCRC 所以 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 4 页 共 14 页 211toComomtEuuEdtUtURCRC 当 t=2t 时，oomuU。 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fR ，利用fR 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fRC 数值应远大于积分时间，即T/2 ，T 为输入方波的周期否则fR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。 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 5 页 共 14 页 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uu 。

从图 5可得 RuU 111RoffRRuUuRRR 当 uu 时所对应的iu 值就是阀值，即 11(1)THRoffRRUUuRR 当 oOLuU 时得上阀值： 111(1)THROLffRRUUURR 当 oOHuU 时得下阀值： 112(1)THROHffRRUUURR 由阀值可画出其传输特性。假设iu 为负电压，此时u阀值为上阀值1THU 。如逐渐使 iu 上升，只要iu>1THU ，则输出oOLuU 将不变，直至iu>=1THU 时，u>u ，使输出电压由OLU 突跳至OHU ，对应其阀值为下阀值2THU 。iu 再继续上升，u>u 关系不变，所以输出oOHuU 不变。之后 iu 逐渐减少，只要iu>2THU ，输出ou+2THU 仍维持不变，直至iu<=2THU 时，u+<=u- ，输出再次突变，由 OHU 下跳至OLU 。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：

1123fROHTH

RURUURR

课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 6 页 共 14 页

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 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。

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。

1223fROLTH

RURUURR

课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸

第 7 页 共 14 页 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，而且也便于调节振荡频率和幅度。

-U V

∞ - + + N1 ∞ - + + N2 R2 -E ui R1 R3 C R4 R5 R6 R7 R8

R9

uC uP

VS1 VS2 VS3

uo

图 8 V/F总电路原理图

O U1 U2

uT

uo T1 T2 t

uC U2

U1 t

t O O

uP

图9 V/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ZD 决定，方波经积分后得到三角波，因此三角波输出的幅度为

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1

4RfRCR

213OMz

RVVR