电压频率和频率电压转换电路的设计

设计一个V/F转换器，研究其产生的输出电压的频率随输入电压幅度的变化关系。

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 。

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。

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

式中是积分前时刻电容C上的电压，称为电容端电压的初始值。所以

把 代入上式得

当时

若输入电压是图所示的阶跃电压，并假定,则t>=0时，由于 ，

所以

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。当向负值方向增大到集成运放反向饱和电压时，集成运放进入非线性工作状态， 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～期间时，电容放电

当t= 1时，

当时间在～ 期间时，电容充电，其初始值

所以

当 t= 时，。 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 ，利用 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 数值应远大于积分时间，即T/2 ，T 为输入方波的周期否则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。

图 5 滞回比较器

按集成运放非线性运用特点，根据下列公式可得知，输出电压发生跳变的临界条件是 。

从图 5可得

当 时所对应的 值就是阀值，即

当 时得上阀值：

当 时得下阀值：

由阀值可画出其传输特性。假设 为负电压，此时< 输出为 ，对应其阀值为上阀值 。如逐渐使 上升，只要>，则输出 将不变，直至>= 时，> ，使输出电压由 突跳至 ，对应其阀值为下阀值 。 再继续上升，> 关系不变，所以输出 不变。之后 逐渐减少，只要> ，输出+ 仍维持不变，直至<= 时，u+<=u- ，输出再次突变，由 下跳至 。其同相滞回比较器的传输特性如图 6 所示。

同样的方法可求得反相滞回比较器的阀值电压和传输特性：

其传输特性如图6所示。

显然，改变 UR 即可改变其阀值，从而改变了传输特性，图6所示是 Ur=0 的情况，此时，两个电路的传输特性均以纵轴对称。

图6 传输特性

2.2.3 稳压管

稳压二极管的工作原理是利用 PN 结的击穿特性。稳压二极管反向击穿后的伏安特性是十分陡峭的，也就是说，通过稳压管的电流有很大变化时，其两端电压变化却很小，几乎是恒定的。利用这种特性可以构成所要求的稳压电路， 为限流电阻，用来限制稳压管中的最大电流。输入电压或负载发生变化而引起稳压管电流变化时，输出电压即稳压管两端电压几乎为一恒定值。

图 7 稳压二极管

2.3 F/V总电路图设计原理

2.3.1 方波和三角波发生电路形式的选择