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电压频率转换电路介绍及扩展

测控课程论文

学

院 物理电子工程学院

专 业 电子信息工程 年 级 2*** 级 姓 名 *** 论文题目 电压频率转换电路介绍及扩

展

指导教师 *** 成绩

学

号

201５年12月２５日

一、应用背景：

电压频率转换器VFC（Voltage Frequency Converter）是一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。电压频率转换器也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。随电压—频率转换实际上是一种模拟量和数字量之间的转换技术。当模拟信号（电压或电流）转换为数字信号时，转换器的输出是一串频率正比于模拟信号幅值的矩形波，显然数据是串行的。串行输出的模数转换在数字控制系统中很有用，它可以把模拟量误差信号变成与之成正比的脉冲信号，以驱动步进式伺服机构用来精密控制。

二、V/f 转换器详解

V/f (电压/频率)转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号，即它的输出信号频率与输入信号电压值成比例，故又称为电压控制(压控)振荡器(VCO)。由于频率在传送过程中稳定度很高，能够很好排除干扰，所以其广泛应用在调频，锁相和A/D变换等许多技术领域。电路主要指标有：额定工作频率和动态范围，灵敏度或变换系数，非线性误差，灵敏度误差和温度系数等。通用V/f 转换电路有积分复原式转换电路和电荷平衡式转换电路。

1、积分复原型

下图1、(a)(b)分别为积分复原电路图和波形图。电路主要组成

有：积分器、比较器和积分复原开关等

(a)转换电路

(b)波形图

图1积分复原式V/f 转换电路及波形图

电路分析：

电路包括积分器比较器和积分复原开关灯。其中由N 2、R5-R8组成的滞回比较器的正相输入端两个门限电频为

7

66Z

761R R 7-U +++=R R u R R u

-U V

∞ - + +

N 1

∞ - + +

N 2 R 2

-E

u i R 1

R 3 C R 4

R 5

R 6 R 7

R 8

R 9

u C

u P V S1

V S2 V S3 u o

O

U 1

U 2 u T

u o T 1

T 2

t

u C U 2

U 1

t

t

O O

u P

7

66

Z

762R -R 7-U ++=R R u R R u

式中Z u ——输出限幅电压，其大小有稳压管VS2和VS3的稳压值所

决定。

当输入信号Ui=0时，N1组成的积分器输出UC 为零。由比较特性可知，此时比较器输出的U0为负向限幅电压-Uz,开关管截止，比较器同向端电压Up 为负向门限电压U2。

当输入信号Ui>0时，N1组成的积分器输出UC 负向增加，UCU1时，比较器输出又由Uz 突变为负向限幅电压Uz ，V 又处于截止状态，同时Up 回复为U2，积分器重新开始积分。如此循环下去，因而积分器输出一串负向锯齿波，比较器输出响应频率的矩形脉冲序列，各级的输出波形如图(b)所示。显然，输出电压U 越大，积分器电容C 充电电流及锯齿波电压斜率就越大，因此每次达到负向U2的时间也越短，输出脉冲的频率就越高。

由电路可知，积分器在充电过程中的输出电压为 u c (t)=-+ U 1

令充电持续时间为 T 1，则有

T1=

对于放电工程，放电电流是个变数，其平均值为

I=

式中r ce—晶体管V集电结ce结电阻

放电持续时间 T2为

T2 =||C=2(R3 +r ce )C||

因此，充放电周期为

T=T1+T2 =(U1-U2)C[ ]

由上式可见，周期T包括两项：第一项由输入电压对电容C的充电过程决定，f-V关系是线性的；第二项为一常数，它的大小由C的放电过程决定，是给f-V关系带来非线性的因素。为提高V/f转换的线性度，要求

>>

在上述条件下，放电时间可以忽略，输出脉冲的频率为

f0== u i

2、电荷平衡式V/f转换电路

电荷平衡式V/f转换电路基于电荷平衡原理，主要由积分器N1、过零比较器N2、单稳定时器等组成，如图2所示。

a) 转换电路

b) 波形图

图2 电荷平衡式V/f 转换电路及波形图

假使u i >0,当积分器N 1输出电压u c 下降到零时，比较器N 2翻转，

A1

－

＋

A2

＋

－

定时电路

∞

∞

C F

R f

u sc1

u sc2

I j -E

I f I 1

D 1

D 2

-E m

u sc3

I f

u

c1

u c2

u c3

0 0

I 1

E m

t

t

t

t

t

I j

－E m