电压频率与频率电压转换电路

电压频率与频率电压
转换电路
2011年8月24日
目录：
摘要： (2)
Abstract: (2)
一、设计方案 (3)
（一）、电压频率转换电路 (3)
1.基于555定时器的电压频率转换： (3)
2.基于LM331的电压频率转换： (4)
（二）、频率电压转换电路 (5)
1.基于LM2907的频率电压转换： (5)
2.基于LM331的频率电压转换 (5)
二、主体电路设计 (8)
三、电路安装 (9)
（一）、电压频率转换电路 (9)
（二）、频率电压转换电路 (10)
四、系统调试： (10)
（一）VFC: (10)
（二）FVC： (11)
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摘要：
本系统利用了LM331的原理及性能设计了频率电压以及电压频率转换电路，实现了0Hz--10kHz频率与0—10V电压的相互转换，电路简单，转换结果线性度好。

关键字：LM331 频率电压转换滤波
Abstract:
The system uses the principle and characteristic of LM331 to design the frequency-to-voltage and the voltage-to- frequency conversion circuits, realizes the frequency of 0Hz--10kHz and the voltage of 0 - 10V’s transformation , the circuits are simple and result have good linearity.
Key-word:
LM331 frequency voltage transformation filter
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一、设计方案
（一）、电压频率转换电路
1.基于555定时器的电压频率转换：
通过给NE555增加一些器件，可以构造电压频率转换器。

电路包括NE555定时器和基于TL071的Miller积分器（图1）。

应用中输入电压为0到-10V，产生0到1000Hz 的输出频率范围。

C1的电流为输入电压的函数：I c=–V in/(P1+R1)。

C1的电压达到VCC的2/3时，定时器的内部放电晶体管打开，C1的电压回到VCC 的1/3，比较器的低阈值。

到电压的1/3处，放电晶体管关闭，C1再次开始充电。

C1充电时，NE555的输出为高，而C1放电时，NE555的输出为低。

输入电压和C1充电时间的乘积为常数。

因为放电时间小于充电时间，下面的公式计算了输出频率：
3
4
f out = V in / (P1 + R1) × C1 × 1/3 VCC 。

P1校准了输出频率和输入电压的关系。

因为放电时间约为30µs ，电压频率转换的精度随频率的增加而降低。

如果设定100H z 为-1V ，1000Hz 为-10V ，转换范围的误差为0.3到3%。

如果使用P1校准输入电压范围中点-5V 的输出频率，那么整个范围内的转换误差小于1.3%。

为改进性能，C1应该具有低耗散的特点。

如果R1具有低温度系数，P 1为多匝金属陶瓷电位计的话，可以减少温度影响。

2.基于LM331的电压频率转换：
LM331是美国NS 公司生产的性能价格比高、外围电路简单、可单电源供电、低功耗的集成电路。

LM331动态范围宽达100dB ，工作频率低到0．1Hz 时尚有较好的线性度，数字分辨率达12位。

LM331的输出驱动器采用集电极开路形式，因此可通过选择逻辑电流和外接电阻来灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL 、DTL 和CMOS 等不同逻辑电路。

LM331可工作在4．0V ～40V 之间，输出可高达40V ，而且可以防止VCC 短路。

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输出频率计算：
该转换电路线性良好，抗干扰能力强，输出范围在10Hz ～10kHz 以上，有利于提高系统的测量范围。

（二）、频率电压转换电路
1.基于LM2907的频率电压转换：
LM2907为集成式频率／电压转换器，芯片中包含了比较器、充电泵、高增益运算放大器，能将频率信号转换为直流电压信号。

LM2917 与LM2907基本相同，区别是：LM2917内部有一只稳压管，用于提高电源的稳定性。

LM2917进行频率倍增时只需使用一个ＲＣ网络；以地为参考点的转速计（频率）输入可直接从输入管脚接入；运算放大器／比较器采用浮动三极管输出；最大５０ｍＡ的输出电流可驱动开关管、发光二极管等；内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；比较器的滞后电压为３０ｍＶ 利用这个特性可以抑制外界干扰；输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为０.３％；具有保护电路，不会受高于Ｖｃｃ值或低于地参考点输入信号的损伤；在零频率输入时，LM2907的输出电压可根据外围电路自行调节；当输入频率达到或超过某一给定值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。

2.基于LM331的频率电压转换
LM331用作FVC 时的原理框如图所示.
此时,○1脚是输出端(恒流源输出),○6脚为输入端(输入脉冲链),○7脚接比较电平.
工作过程(结合看图5-1-2所示的波形)如下:
当输入负脉冲到达时,由于○6脚电平低于○7脚电平,所以S=1(高电平)，Q=0（低电平）。

此时放电管T截止，于是Ct由VCC经Rt充电，其上电压VCt按指数规律增大。

与此同时，电流开关S使恒流源I与○1脚接通，使CL充电，VCL按线性增大（因为是恒流源对CL充电）。

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经过1.1RtCt的时间，VCt增大到2/3VCC时，则R有效（R=1，S=0），Q=0，Ct、CL再次充电。

然后，又经过1.1RtCt的时间返回到Ct、CL放电。

以后就重复上面的过程，于是在RL上就得到一个直流电压Vo（这与电源的整流滤波原理类似），并且Vo与输入脉冲的重复频率fi成正比。

CL的平均充电电流为i×（1.1RtCt）×fi
CL的平均放电电流为Vo/RL
当CL充放电平均电流平衡时，得
Vo=I×（1.1RtCt）×fi×RL
式中I是恒流电流，I=1.90V/RS
式中1.90V是LM331内部的基准电压（即2脚上的电压）。

于是得
i
t
t
S
L
o
f
C
R
R
R
09
.2
V=
可见，当RS、Rt、Ct、RL一定时，Vo正比于fi，显然，要使Vo与fi之间的关系保持精确、稳定，则上述元件应选用高精度、高稳定性的。

对于一定的fi，要使Vo为一定植，可调节RS的大小。

恒流源电流I允许在
10μA~500μA范围内调节，故RS可在190kΩ~3.8 kΩ范围内调节。

一般RS在10kΩ左右取用。

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本系统采用基于LM331制作的V/F和F/V转换。

二、主体电路设计
芯片简介
LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集成芯片。

它是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。

LM331为双列直插式8引脚芯片，其引脚框图如图1所示。

LM331 各引脚功能说明如下: 脚1 为脉冲电流输出端,内部相当于脉冲恒流源,脉冲宽度与内部单稳态电路相同; 脚2 为输出端脉冲电流幅度调节,RS 越小,输出电流越大; 脚3 为脉冲电压输出端,OC 门结构,输出脉冲宽度及相位同单稳态,不用时可悬空或接地; 脚4 为地; 脚5 为单稳态外接定时时间常数RC ; 脚6 为单稳态触发脉冲输入端,低于脚7 电压触发有效,要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw ; 脚7 为比较器基准电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低; 脚8 为电源Vcc , 正常工作电压范围为4～40V。

线性度好, 最大非线性失真小于0. 01 % , 工作频率低到0. 1Hz 时尚有较好的线性;变换精度高数字分辨率可达12 位; 外接电路简单, 只需接入几个外部元件就可方便构成V/ F 或F/ V 变换电路,并且容易保证转换精度。

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三、电路安装
（一）、电压频率转换电路
9
10
（二）、频率电压转换电路
四、系统调试： （一）VFC:
（二）FVC：
参考资料：
【1】张训文. 机电一体化系统设计与应用. 北京理工大学出版社，2006
【2】National Semiconductor.LM231A/LM231/LM331A/LM331 Precision Voltage-to-Frequency Converters
11。