電壓頻率轉(zhuǎn)換電路介紹及擴展

1、學(xué)號201350420*it晨蒔學(xué)ft測控課程論文物理電子工程學(xué)院電子信息工程2 級論文題目指導(dǎo)教師*電壓頻率轉(zhuǎn)換電路介紹及擴展成績2015年12月2 5日、應(yīng)用背景：電壓頻率轉(zhuǎn)換器 VFC( Voltage Frequency Converter )是 種實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件， 將模擬電壓量變換為脈沖信號， 該輸出 脈沖信號的頻率與輸入電壓的大小成正比。 電壓頻率轉(zhuǎn)換器也稱為電 壓控制振蕩電路（VCO,簡稱壓控振蕩電路。隨電壓一頻率轉(zhuǎn)換實際 上是一種模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。 當模擬信號（電壓或電流） 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時， 轉(zhuǎn)換器的輸出是一串頻率正比于模擬信號幅值的以驅(qū)矩形波，顯然數(shù)據(jù)是

2、串行的。 串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換在數(shù)字控制系統(tǒng)中 很有用，它可以把模擬量誤差信號變成與之成正比的脈沖信號， 動步進式伺服機構(gòu)用來精密控制。、 V/f 轉(zhuǎn)換器詳解V/f （ 電壓/頻率）轉(zhuǎn)換器能把輸入信號電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信 號，即它的輸出信號頻率與輸入信號電壓值成比例， 故又稱為電壓控 制（壓控）振蕩器（VCO）。由于頻率在傳送過程中穩(wěn)定度很高，能夠很 好排除干擾， 所以其廣泛應(yīng)用在調(diào)頻， 鎖相和 A/D 變換等許多技術(shù)領(lǐng) 域。電路主要指標有：額定工作頻率和動態(tài)范圍， 靈敏度或變換系數(shù)， 非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數(shù)等。通用 V/f 轉(zhuǎn)換電路有積分 復(fù)原式轉(zhuǎn)換電路和電荷平衡式轉(zhuǎn)換電路。1、積

3、分復(fù)原型下圖 1、（a）（b） 分別為積分復(fù)原電路圖和波形圖。電路主要組成有：積分器、比較器和積分復(fù)原開關(guān)等o(a)轉(zhuǎn)換電路UC八OU2Up丿OttI! 11 11 !1 111U111 '1FTt'1 ;1I1111tU2T1!T2Uo A(b)波形圖圖1積分復(fù)原式V/f轉(zhuǎn)換電路及波形圖電路分析:電路包括積分器比較器和積分復(fù)原開關(guān)燈。其中由N2、R5-R8組成的滯回比較器的正相輸入端兩個門限電頻為Ui-U-R6RUzU2-U 二-u 亠R6R R R式中Uz輸出限幅電壓，其大小有穩(wěn)壓管 VS2和VS3的穩(wěn)壓值所決定。當輸入信號Ui=0時，N1組成的積分器輸出UC為零。由比較特

4、性可知，此時比較器輸出的 U0為負向限幅電壓-Uz,開關(guān)管截止,比較器同向端電壓Up為負向門限電壓U2。當輸入信號Ui>0時，N1組成的積分器輸出UC負向增加，UC<U2 時比較器輸出U0由負象限幅電壓突變?yōu)檎蛳薹妷?Uz,驅(qū)動管V有截止變?yōu)閷?dǎo)通，致使積分電容 C通過R3放電，積分器輸出迅速回升。同時，U0通過正反饋電路使比較器同向端電壓 Up突變?yōu)閁1，從而鎖住比較器的輸出狀態(tài)不隨積分器的輸出回升二立即翻轉(zhuǎn)。當積 分器輸出回升到UC>U1時，比較器輸出又由Uz突變?yōu)樨撓蛳薹?壓Uz，V又處于截止狀態(tài)，同時Up回復(fù)為U2，積分器重新開始積 分。如此循環(huán)下去，因而積分器輸

5、出一串負向鋸齒波，比較器輸出響應(yīng)頻率的矩形脈沖序列，各級的輸出波形如圖（b）所示。顯然，輸出電壓U越大，積分器電容C充電電流及鋸齒波電壓斜率就越大，因 此每次達到負向U2的時間也越短，輸出脈沖的頻率就越高。由電路可知，積分器在充電過程中的輸出電壓為Uc（t）二-總藍皿由+ Ui令充電持續(xù)時間為Ti,則有K1CCU1-U2）Tl= 對于放電工程，放電電流是個變數(shù)，其平均值為I=* 2(R3+rce) *式中rce晶體管V集電結(jié)ce結(jié)電阻放電持續(xù)時間T2為(J2-U1U1- U2T2 =l|C = 2(R3+rce ©航 I因此，充放電周期為K1 , (K3+rce),T=T+p =(U

6、i-U2)C十 |2冷爲I由上式可見，周期T包括兩項：第一項由輸入電壓對電容 C的充電過程決定，f-V關(guān)系是線性的；第二項為一常數(shù)，它的大小由C的放電過程決定，是給f-V關(guān)系帶來非線性的因素。為提高V/f轉(zhuǎn)換的 線性度，要求R1 m (K3+rce),盲>>2貢礦I在上述條件下，放電時間可以忽略，輸出脈沖的頻率為r _1_10=T =RiquUZ)u iN1、2、電荷平衡式V/f轉(zhuǎn)換電路電荷平衡式V/f轉(zhuǎn)換電路基于電荷平衡原理，主要由積分器 過零比較器N2、單穩(wěn)定時器等組成，如圖2所示。0-ECfIfa）轉(zhuǎn)換電路0Iiuc1Uc2Uc3b）波形圖圖2電荷平衡式V/f轉(zhuǎn)換電路及波形圖

7、假使Ui>0,當積分器Nl輸出電壓Uc下降到零時，比較器N翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)單穩(wěn)定時器產(chǎn)生脈寬為to的脈沖，該脈沖接通恒流源，設(shè)計|聞1 >i,從而使uc迅速向上斜變。當脈沖結(jié)束后，開關(guān)S斷開，由ui產(chǎn)生的電流i=Ui/R向電容C充電使Uc迅速向上斜變。當Uc過零時，比較 器又一次翻轉(zhuǎn)使單穩(wěn)定時器產(chǎn)生一個 to脈沖，電容器再一次放電，如此反復(fù)下去。在一個周期內(nèi)，電容 C上的電荷量不發(fā)生變化，即由i產(chǎn)生的充電電荷與 CIs-i）產(chǎn)生的放電電荷相等。在充電時間ti內(nèi)的電荷量為AQ=it 1在放電時間to內(nèi)的電荷量為AQ=(I S i) 10由電荷平衡原理，AQ追Q,得t 1=（¥ ）

8、t 0輸出脈沖頻率為f二一十二旦tl+tO IstO IstOR由上式可以看出，該種轉(zhuǎn)換器從原理上消除了積分復(fù)原時間所引 起的非線性誤差，故大大的提高了轉(zhuǎn)換的線性度。集成V/f轉(zhuǎn)換器大 多采用電荷平衡型V/f轉(zhuǎn)換電路做基本電路。3、集成V/F轉(zhuǎn)換器LM331為常用的集成V/F轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部有（1）輸入比較電路、（2）定時比較電路、（3）R-S觸發(fā)電路、（4）復(fù)零晶體管、（5）輸出驅(qū)動管、（6）能隙基準電路、（7）精密電流源電路、（8）電流開關(guān)、（9）輸出保護電路等部分。輸出管采用集電極開路形式，因此可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平。LM331芯片的引腳簡介:引腳為電流源

9、輸出端，在 fo （引腳三）輸出邏輯低電平時，電 流源輸出對電容充電。引腳為增益調(diào)整，改變管腳所接電阻的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的 大小。引腳為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由管腳所接Rt和C t決定。引腳為電源地。引腳為定時比較器正相輸入端。引腳為輸入比較器反相輸入端。引腳為輸入比較器正相輸入端。引腳為電源正端。使用lm331組成的壓頻轉(zhuǎn)換電路及其原理分析當輸入端Vi+輸入一正電壓時，輸入比較器輸出高電平，使R S觸發(fā)器置位，輸出高電平，輸出驅(qū)動管導(dǎo)通，輸出端 f0 為邏輯低電 平，同時電源9 Vcc也通過電阻R2對電容C2充電。當電容C2兩端充電電壓大于Vcc的2/3時，定時比較器輸出一高

10、電平，使R S觸發(fā)器復(fù)位，輸出低電平，輸出驅(qū)動管截止， 輸出端 fo 為邏輯高電平， 同時，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容 C2通過復(fù)零晶體管迅速放電；電子開關(guān)使電容C3對電阻R3放電。當電容C3放電電壓等于輸入電壓 Vi時,輸入比較器再次輸出高電平，使 RS 觸發(fā)器置位，如此反復(fù)循環(huán)， 構(gòu)成自激振蕩。 輸出脈沖頻率 fo 與輸入電壓 Vi 成正比， 從而實現(xiàn)了 電壓頻率變換。其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為：fo=(Vi X R4)/(2.09 X R3X R2X C2)由式知電阻R2、R3 R4和C2直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果fo，因此對元件的精度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當選擇。電阻R1和電容C1組成低通

11、濾波器， 可減少輸入電壓中的干擾脈沖， 有利于提高轉(zhuǎn)換精 度。、壓頻轉(zhuǎn)換電路的應(yīng)用：電壓/頻率變換電路（VFC應(yīng)用十分廣泛，在不同的領(lǐng)域有不同 的名稱。在無線電技術(shù)中，它被稱為頻率調(diào)制（FM ；在信號源電路 中，它被稱為壓控振蕩器（OSC；在信號處理與變換電路中，它又被 稱為電壓 /頻率變換電路和準模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路。1、下圖為無線電技術(shù)中常用的一個三級單回路變?nèi)荻O管調(diào)相電路。每一個回路均有一個變?nèi)荻O管以實現(xiàn)調(diào)相。 三個變?nèi)荻O管的電容 量變化均受同一調(diào)制信號控制。為了保證三個回路產(chǎn)生相等的相移，每個回路的Q值都可用可變電阻（22k）調(diào)節(jié)。級間采用小電容（1PF） 作為耦合電容，因其耦合弱，

12、可認為級與級之間的相互影響較小，總 相移是三級相移之和。這種電路能在范圍內(nèi)得到線性調(diào)制。 這類電路 由于電路簡單、調(diào)整方便、故得到了廣泛的應(yīng)用。IPTiTI-TiI O 02 M 丄 0 03 丄 C Q2 M2、壓控振蕩電路如下圖所示：其工作原理是通過場效應(yīng)管門源間電壓的變化,使輸出形成占空比可調(diào)，周期變化的方波。四、壓頻轉(zhuǎn)換電路與普通模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的區(qū)別及優(yōu)點:1、區(qū)別:模數(shù)轉(zhuǎn)換：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程被稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換， 其主要性能指標有：分辨力，轉(zhuǎn)換速度等。壓頻轉(zhuǎn)換：電壓頻率轉(zhuǎn)換器也稱為電壓控制振蕩電路（VCO,簡 稱壓控振蕩電路。 隨電壓頻率轉(zhuǎn)換實際上是一種模擬量和頻率量之 間的轉(zhuǎn)換技

13、術(shù)。其主要性能指標有：額定工作頻率和動態(tài)范圍，靈敏 度或變換系數(shù)，非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數(shù)等。2、優(yōu)點：在壓頻轉(zhuǎn)換中，當模擬信號（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時， 轉(zhuǎn)換器的輸出是一串頻率正比于模擬信號幅值的矩形波， 顯然數(shù)據(jù)是 串行的。這與目前通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行輸出不同， 然而其分辨率卻 可以很高。此外，在進行數(shù)模轉(zhuǎn)換過程中， 可以應(yīng)用的芯片很多， 如 AD0809、AD574A LM331等都可以實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。但人們發(fā)現(xiàn)芯片一般輸出都是并行輸出（獨立、同時、同步） ，但一般的電路對信號的處理都是 串行的。但運用電壓轉(zhuǎn)換為頻率就解決了數(shù)模的轉(zhuǎn)換， 同時又可以輸 出串行信號，幾乎完全可以替代 AD芯片的作用。另外相對于電壓， 一個