电压频率和频率电压转换电路的设计

模电设计课程设计报告

题目：电压/频率变换器

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2011年 1 月12 日

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

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

OLM Z V V =± 。

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

14R f R C R =

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 o C u u u -=-+ 1

(0)C C C u i dt u C

=

+⎰ 式中(0)C u 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)o i C u u dt u RC

=--⎰ 把1i

C u i i R

==

代入上式得 1

(0)o i C u u dt u RC =-

-⎰

当(0)0C u =时 1

o i u u dt RC =-

⎰

若输入电压是图所示的阶跃电压，并假定(0)0C u =,则t>=0时，由于i u E = ， 所以

1o E

u Edt t RC RC

=-

=-⎰ 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o u 向负值方向增大到集成运放反向饱和电压OL U 时，集成运放进入非线性工作状态，o OL u U = 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，i u E =-电容放电

101t o E u Edt t RC RC

=-

-=+⎰ 当t=1t 1时，o om u U =+

当时间在1t ～2t 期间时，i u E =+电容充电，其初始值 11()()C o om u t u t U =-=-

2211

111()t t C C om t t u Edt u t Edt U RC RC =

+=-⎰⎰ 所以

课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 2

1

1t o

C

om

om

t E

u u Edt U t U RC RC

=--+=-+⎰ 当 t=2t 时，o om u U =-。 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f R ，利用f R 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f R C 数值应远大于积分时间，即T/2 ，T 为输入方波的周期否则f R 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。