電壓頻率和頻率電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

1、課 程 設(shè) 計 報 告 書 專 用 紙設(shè)計一個V/F轉(zhuǎn)換器，研究其產(chǎn)生的輸出電壓的頻率隨輸入電壓幅度的變化關(guān)系。1 緒論（1）電壓/頻率轉(zhuǎn)換即v/f轉(zhuǎn)換，是將一定的輸入信號按線性的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成頻率信號，當輸入電壓變化時，輸出頻率也響應(yīng)變化。它的功能是將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換頻率與其數(shù)值成正比的輸出電壓，故也稱電壓控制振蕩電路。如果任何一個物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號后，以預(yù)處理變換為合適的電壓信號，然后去控制壓控振蕩電路，再用壓控振蕩電路的輸出驅(qū)動計數(shù)器，使之在一定時間間隔內(nèi)記錄矩形波個數(shù)，并用數(shù)碼顯示，那么可以得到該物理量的數(shù)字式測量儀表。 圖1 數(shù)字測量儀表 電壓/頻率電路是一種模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2、，它應(yīng)用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換，調(diào)頻，遙控遙測等各種設(shè)備。（2）F/V轉(zhuǎn)換電路F/V轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是把頻率變化信號轉(zhuǎn)換成按比例變化的電壓信號。這種電路主要包括電平比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、低通濾波器等電路。它有通用運放F/V轉(zhuǎn)換電路和集成F/V轉(zhuǎn)換器兩種類型。1.1設(shè)計要求設(shè)計一個將直流電壓轉(zhuǎn)換成給定頻率的矩形波的電路,要求包括：積分器；電壓比較器和一個將給定頻率的矩形波轉(zhuǎn)換為直流電壓的電路，要求包括：過零比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、低通濾波器等。1.2 設(shè)計指標(1）輸入為直流電壓0-10V， 輸出為f=0-500Hz的矩形波。 （2）輸入ui是010KHZ的峰-峰值為5V的方波，輸出uo為010V的直流電壓。

3、2 設(shè)計內(nèi)容 總體框圖設(shè)計21 V/F轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計2.1.1 工作原理及過程積分器和滯回比較器首尾相接形成正反饋閉環(huán)系統(tǒng)，如圖 2所示，比較器輸出的矩形波經(jīng)積分器積分可得到三角波，三角波又觸發(fā)比較器自動翻轉(zhuǎn)形成矩形波，這樣便可構(gòu)成三角波，矩形波發(fā)生器。由于采用集成運放組成的積分電路，因此可以實現(xiàn)恒流充電，能夠得到比較理想的矩形波。 通過分析可知，矩形波幅值大小由穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值決定，即方波的幅值 。 矩形波的振蕩頻率 2.1.2 模塊功能積分器：積分電路可以完成對輸入電壓的積分運算，即輸入電壓與輸出電壓的積分成正比。滯回比較器：用來輸出矩形波，積分器得到的三角波可觸發(fā)比較器自動翻轉(zhuǎn)形成矩形

4、波。穩(wěn)壓管：用來確定矩形波的幅值。 圖 2 總體框架圖2.2 功能模塊的設(shè)計 2.2.1 積分電路工作原理積分電路可以完成對輸入電壓的積分運算，即輸入電壓與輸出電壓的積分成正比。由于同相積分電路的共模輸入分量大，積分誤差大，應(yīng)用場合少，所以不予論述，本課程設(shè)計用到的是反相積分電路。圖 3 積分器 反相積分電路如圖 3 所示，電容器C引入交流并聯(lián)電壓負反饋，運放工作在線性區(qū)。由于積分運算是對瞬時值而言的，所以各電流電壓均采用瞬時值符號。由電路得因為“-”端是虛地，即U-=0,并且 式中是積分前時刻電容C上的電壓，稱為電容端電壓的初始值。所以 把 代入上式得 當時 若輸入電壓是圖所示的階躍電壓，并

5、假定,則t>=0時，由于 ，所以 由此看出，當E為正值時，輸出為反向積分，E對電容器恆流充電，其充電電流為E/R，故輸出電壓隨線性變化。當向負值方向增大到集成運放反向飽和電壓時，集成運放進入非線性工作狀態(tài)， 保持不變，圖3所示。 如輸入是方波，則輸出將是三角波，波形關(guān)系如圖4所示。當時間在0期間時，電容放電 當t= 1時， 當時間在 期間時，電容充電，其初始值 所以 當 t= 時，。 如此周而復(fù)始，即可得到三角波輸出。圖4 波形變換上述積分電路將集成運放均視為理想集成運放，實際中是不可能的，其主要原因是存在偏置電流，失調(diào)電壓，失調(diào)電流及其溫漂等。因此，實際積分電路 uo 與輸入電壓關(guān)系與

6、理想情況有誤差，情況嚴重時甚至不能正常工作。解決這一情況最簡便的方法是，在電容兩端并接一個電阻 ，利用 引入直流負反饋來抑制上述各種原因引起的積分漂移現(xiàn)象。但 數(shù)值應(yīng)遠大于積分時間，即T/2 ，T 為輸入方波的周期否則的自身也會造成較大的積分誤差，電路如圖4所示.2.2.2 滯回比較器 簡單的電壓比較器結(jié)構(gòu)簡單，而且靈敏度高，但它的抗干擾能力差， 如果輸入信號因受干擾在閥值附近變化，如圖所示，現(xiàn)將此信號加進同相輸入的過零比較器，則輸出電壓將發(fā)生不應(yīng)該出現(xiàn)的跳變，輸出電壓波形如圖所示。用此輸出電壓控制電機等設(shè)備，將出現(xiàn)錯誤操作，這是不允許的。滯回比較器能克服簡單的比較器抗干擾能力差的缺點，滯回比

7、較器如圖5所示。滯回比較器具有兩個閥值可通過電路引入正反饋獲得。圖 5 滯回比較器按集成運放非線性運用特點，根據(jù)下列公式可得知，輸出電壓發(fā)生跳變的臨界條件是 。 從圖 5可得 當 時所對應(yīng)的 值就是閥值，即 當 時得上閥值： 當 時得下閥值： 由閥值可畫出其傳輸特性。假設(shè) 為負電壓，此時< 輸出為 ，對應(yīng)其閥值為上閥值 。如逐漸使 上升，只要> ，則輸出 將不變，直至>= 時，> ，使輸出電壓由 突跳至 ，對應(yīng)其閥值為下閥值 。 再繼續(xù)上升，> 關(guān)系不變，所以輸出 不變。之后 逐漸減少，只要> ，輸出+ 仍維持不變，直至<= 時，u+<=u- ，

8、輸出再次突變，由 下跳至 。其同相滯回比較器的傳輸特性如圖 6 所示。同樣的方法可求得反相滯回比較器的閥值電壓和傳輸特性： 其傳輸特性如圖6所示。顯然，改變 UR 即可改變其閥值，從而改變了傳輸特性，圖6所示是 Ur=0 的情況，此時，兩個電路的傳輸特性均以縱軸對稱。 圖6 傳輸特性2.2.3 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓二極管的工作原理是利用 PN 結(jié)的擊穿特性。穩(wěn)壓二極管反向擊穿后的伏安特性是十分陡峭的，也就是說，通過穩(wěn)壓管的電流有很大變化時，其兩端電壓變化卻很小，幾乎是恒定的。利用這種特性可以構(gòu)成所要求的穩(wěn)壓電路， 為限流電阻，用來限制穩(wěn)壓管中的最大電流。輸入電壓或負載發(fā)生變化而引起穩(wěn)壓管電流變化時，輸出

9、電壓即穩(wěn)壓管兩端電壓幾乎為一恒定值。 圖 7 穩(wěn)壓二極管2.3 F/V總電路圖設(shè)計原理2.3.1 方波和三角波發(fā)生電路形式的選擇 由集成運放構(gòu)成的方波和三角波發(fā)生器的電路形式比較多，但通常均由滯回比較器和積分電路組成。按積分電路的不同，又可分為兩種類型：一類是由普通RC積分電路和滯回比較器構(gòu)成，另一類由恒流充放電的積分電路和滯回比較器組成。常用的三角波和方波發(fā)生電路是由集成運放組成的積分器和滯回比較器組成，如圖 7 所示。由于采用了由集成運放組成的積分器，電容始終處在恒流充，放電狀態(tài)，使三角波和方波的性能大為改善，不僅能得到線性度較理想的三角波，而且也便于調(diào)節(jié)振蕩頻率和幅度。 圖 8 V/F總

10、電路原理圖圖9 V/F轉(zhuǎn)換波形圖 分析圖 7 所示電路可知，方波和三角波的振蕩頻率相同，其值為 方波的輸出幅度由穩(wěn)壓管 決定，方波經(jīng)積分后得到三角波，因此三角波輸出的幅度為 2.3.2 電路元件的選擇及參數(shù)的確定（1）集成運算放大器的選擇輸出由于方波的前后沿時間與滯回比較器的轉(zhuǎn)換速率有關(guān)，當方波頻率較（幾十千赫茲以上）或?qū)Ψ讲ㄇ昂笱匾筝^高時，應(yīng)選擇高速集成運算放大器來組成滯回比較器。（2）穩(wěn)壓管的選擇穩(wěn)壓管的作用是限制和確定方波的幅度。此外，方波幅度和寬度的對稱性也與穩(wěn)壓管的對稱性有關(guān)。為了得到穩(wěn)定而且對稱的方波輸出，通常選用高精度雙向穩(wěn)壓二極管，如 2DW7 。是穩(wěn)壓管的限流電阻，其值根劇

11、所用穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電流來確定。(3）分壓電阻和阻值的確定和的作用是提供一個隨輸出方波電壓而變化的基準電壓并由此決定三角波的幅度輸出。所以 和的阻值應(yīng)根據(jù)三角波輸出幅度的要求來確定。例如，已知 ，若要求三角波的峰值為 ，則若取=10K ，則=15K 。當要求三角波的幅度可以調(diào)節(jié)時，R1 和則可用電位器來代替。（4）積分元件及和參數(shù)的確定 和 的值應(yīng)根據(jù)方波和三角波發(fā)生器的振蕩頻率來確定。當分壓電阻 和的阻值確定后，先選擇電容的值然后確定的阻值。對于圖 7 所示電路，為了減小積分飄移，應(yīng)盡量將電容 取大些。但是電容量大的電容漏電也大。2.3.3 方波和三角波發(fā)生電路的調(diào)試方法方波和三角波發(fā)生電路的調(diào)

12、試，應(yīng)使其輸出電壓幅度和振蕩 頻率坊鋁浦足授計要求。為此，可用示波器測量方波和三角波的頻率和幅度。調(diào)整電阻 的阻值，可以改變振蕩頻率；調(diào)整電阻和的阻值，可以改變?nèi)遣ǖ妮敵龇取?.4頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是把頻率變化信號轉(zhuǎn)換成按比例變化的電壓信號。這種電路主要包括電平比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、低通濾波器等電路。它有通用運放頻率/電壓頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路和集成頻率/電壓轉(zhuǎn)換器兩種類型。 圖 9 頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路原理框圖2.5 功能模塊的設(shè)計2.5.1過零比較器過零比較器的工作原理是將輸入信號與0V地電壓進比較來判定輸出是高電平還是低電平，例如反相輸入端輸入的過零比較器在輸

13、入正弦信號時，在正弦波的正半周時輸出為低電平，而在正弦波的負半周時輸出為高電平。這樣就把正弦波變成矩形波了，當然它還可以將三角波等波形變換為矩形波。過零比較器，顧名思義，其閾值電壓UT=0V。電路如圖9(a)所示，集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+UOM或-UOM。當輸入電壓uI<0V時，UO=+UOM；當輸入電壓uI>0V時，UO=-UOM。因此，電壓傳輸特性如圖9(b)所示。uouI+UOMuIuo-UOMuI<0uI>0(a)電路 （b）電壓傳輸特性圖 10 過零比較電路及電壓傳輸特性2.5.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器我們知道，因為觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)，即0和1，所以

14、觸發(fā)器也被稱為雙穩(wěn)態(tài)電路。與雙穩(wěn)態(tài)電路不同，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)定的狀態(tài)。這個穩(wěn)定狀態(tài)要么是0，要么是1。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點是：(1)在沒有受到外界觸發(fā)脈沖作用的情況下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器保持在穩(wěn)態(tài)；（2）在受到外界觸發(fā)脈沖作用的情況下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，進入“暫穩(wěn)態(tài)”。假設(shè)穩(wěn)態(tài)為0，則暫穩(wěn)態(tài)為1。（3）經(jīng)過一段時間，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器從暫穩(wěn)態(tài)返回穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)停留的時間僅僅取決于電路本身的參數(shù)。圖 11 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路此電路可用在一些自動控制系統(tǒng)中。電阻R1、R2組成分壓電路，為運放A1負輸入端提供偏置電壓U1，作為比較電壓基準。靜態(tài)時，電容C1充電完畢，運放A1正輸入端電壓U2等于電

15、源電壓V+，故A1輸出高電平。當輸入電壓Ui變?yōu)榈碗娖綍r，二極管D1導(dǎo)通，電容C1通過D1迅速放電，使U2突然降至地電平，此時因為U1>U2，故運放A1輸出低電平。當輸入電壓變高時，二極管D1截止，電源電壓R3給電容C1充電，當C1上充電電壓大于U1時，既U2>U1，A1輸出又變?yōu)楦唠娖剑瑥亩Y(jié)束了一次單穩(wěn)觸發(fā)。顯然，提高U1或增大R2、C1的數(shù)值，都會使單穩(wěn)延時時間增長，反之則縮短。如果將二極管D1去掉，則此電路具有加電延時功能。剛加電時，U1>U2，運放A1輸出低電平，隨著電容C1不斷充電，U2不斷升高，當U2>U1時，A1輸出才變?yōu)楦唠娖健?.5.3低通濾波器低通

16、濾波器是容許低于截至頻率的信號通過， 但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。低通濾波器原理：它是利用電容同高頻阻低頻,電感通低頻阻高頻的原理。對于需要截止的高頻,利用電容吸收電感、阻礙的方法不使它通過，對于需要的低頻，利用電容高阻、電感低阻的特點是它通過。一個可以作為低通濾波器的簡樸電路包括與一個負載串聯(lián)的電阻以及與負載并聯(lián)的一個電容。電容有電抗作用阻止低頻信號通過，低頻信號經(jīng)過負載。在較高頻率電抗作用減弱，電容起到短路作用。這個區(qū)分頻率（也稱為轉(zhuǎn)換頻率或者截止頻率（Hz）由所選擇的電阻和電容所確定。圖 12 低通濾波器原理圖2.6 F/V總電路圖設(shè)計原理包括以上分析的三個部分：電平比較

17、器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和低通濾波器。 圖 13 F/V總電路圖設(shè)計原理如圖10運放構(gòu)成的F/V轉(zhuǎn)換電路。放大器N1及R3、R4構(gòu)成電壓比較器，二極管VD1、VD2為輸入限幅保護；N2及R1、R2、R5、R6、R、C、R7、R2、VT2構(gòu)成低通濾波器；N3為隔離用輸出放大器。當有輸入信號ui時，比較器N1將輸入信號轉(zhuǎn)換相同頻率的方波u，再經(jīng)過微分電容C1和二極管VD3把上升的窄脈沖送至單穩(wěn)態(tài)N2的輸入端。在常態(tài)下uN為負電位、N2輸出為高電平，三極管VT1、VT2導(dǎo)通，u2為低電平。N1送來的正脈沖使N2翻轉(zhuǎn)、輸出變?yōu)榈碗娖?；這時VT1截止，u2變?yōu)楦唠娖剑ㄆ渲禐榉€(wěn)壓管VS的穩(wěn)壓值Um），uN保持在高

18、電平UH，其值為 UH=R1×Um/（R1+R2）+R2×（-E）/（R1+R2）同時VT2截止，使電容C被+E通過R充電，N2同向輸入up隨之變化，其值為 Up（t）=up（）+up（0+）-up（）e-t/t式中，up（）=E；up（0+）=R6× E/（R+R6）。當C被充電到upUH時，N2再翻轉(zhuǎn)到達穩(wěn)定狀態(tài)，充電時間經(jīng)歷TW，它的值為TW=RCInE-up(0+)/E-UH轉(zhuǎn)換電路的各點電壓波形關(guān)系如圖11，圖12所示，通低濾波后，電路輸出電壓平均值為 u0=Tw× Um× fi從而完成了輸入頻率fi到輸出模擬電壓的轉(zhuǎn)換。 圖 14 轉(zhuǎn)換前的波形 圖 15 轉(zhuǎn)換后的波形3 設(shè)計心得兩周的課程設(shè)計，增加了自己的動手實踐能力。理論與實踐還是有一定的差距的，在理論上不管多精確的數(shù)據(jù)，一旦用于實