電壓頻率和頻率電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告書專用紙?jiān)O(shè)計(jì)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(dāng)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(jì)數(shù)器，使之在一定時 問問隔內(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。隹感器直流預(yù)處理電+壓控電路 振蕩器計(jì)數(shù)顯不圖1數(shù)字測量儀表電壓/頻

2、率電路是一種模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，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(yùn)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(jì)要求設(shè)計(jì)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(jì)指標(biāo)(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勺峰-峰值為5V

3、的方波，輸出uo為010V的直流電壓。2設(shè)計(jì)內(nèi)容總體框圖設(shè)計(jì)2. 1 V/F轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)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(yùn)放組成的積分電路，因此可以實(shí)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1 R4RC R2VOLMVZ矩形波的振蕩頻率 f2.1.2 模塊功能積分器：積分電路可以完成對輸入電壓的積分運(yùn)算，即輸入電壓與輸出電壓的積 分成正比。滯回比較器

4、：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 矩形波。穩(wěn)壓管：用來確定矩形波的幅值。圖2 總體框架圖第15頁共14頁2.2 功能模塊的設(shè)計(jì)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(yùn)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,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(fù)反饋，運(yùn)放工作在線 性區(qū)。由于積分運(yùn)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?yàn)椤?”端是虛地，即U-=0,并且UoUc U1 .Uc- icdt Uc (0)c式中Uc（0）是積分前時刻電容1

5、C上的電壓，稱為電容端電壓的初始值。所以把 iciiUoUidtrc 生代入上式得 RUc(O)Uo1 uidt rcUc(0)當(dāng) Uc（O）Uorc uidt若輸入電壓是圖所示的階躍電壓，并假定 Uc（0） 0,則t=0時，由于Ui E ,所以Uo Edt trcrc由此看出，當(dāng)E為正值時，輸出為反向積分，E對電容器，仰流充電，具充電電流 為E/R,故輸出電壓隨線性變化。當(dāng)Uo向負(fù)值方向增大到集成運(yùn)放反向飽和電壓 Uol 時，集成運(yùn)放進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，Uo Uol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。E電容放電馬 rc當(dāng)時間在0t,期間時，Ui1 tUo

6、Edtrc 0當(dāng)仁G 1時，UoU om當(dāng)時間在tlt2期間時,UiE電容充電，其初始值UcUc(ti)1Uo(tl)RCt2t Edt Uc(ti) tlU om1t2Edt UomRc t1所以1t2E , 一uouCEdt U omt U omRC tiRC當(dāng)t= t2時，UoUom。如此周而復(fù)始，即可得到三角波輸出上述積分電路將集成運(yùn)放均視為理想集成運(yùn)放，實(shí)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(shí)際積分電路uo 與輸入電壓關(guān)系與理想情況有誤差，情況嚴(yán)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Rf ,利用Rf引入直流

7、負(fù)反饋來抑制上述各種 原因引起的積分漂移現(xiàn)象。但RfC數(shù)值應(yīng)遠(yuǎn)大于積分時間，即T/2 , T為輸入方波 的周期否則Rf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(jìn)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(jī)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(diǎn)，滯回比較器如圖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(yùn)放非線性運(yùn)用

8、特點(diǎn)，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u u從圖5可得u UrR II R U Ur UoRi Rf Rf當(dāng)U U時所對應(yīng)的Ui值就是閥值，即Uth （1 獸）Ur 獸 Uo RfRf當(dāng)Uo Uol時得上閥值：RiRUthi （1L）Ur ，UolRfRf當(dāng)Uo Uoh時得下閥值：UTH 2（1 普）Ur -rLuohRfRf由閥值可畫出其傳輸特性。假設(shè)Ui為負(fù)電壓，止匕時U Uthi ,則輸出U。Uol將不變， 直至Ui=UTH1時，u u ,使輸出電壓由Uol 突跳至Uoh ,對應(yīng)其閥值為下 閥值Uth2 。 Ui再繼續(xù)上升，U u關(guān)系不變，所以輸出Uo Uoh 不變。之

9、后Ui逐漸減少，只要UiUTH2，輸出Uo+Uth2仍維持不變，直至U=Uth2時,U+=U-,輸出再次突變，由 Uoh下跳至Uol 。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： .RfUR RUohUTH1RUr RUolUth2 - 其傳輸特性如圖6所示。R2 R3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。jII以Ue m &kr u 2 IE 14ibUiT 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

10、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(fù)載發(fā)生變化而引起穩(wěn)壓管電流變化時，輸 出電壓即穩(wěn)壓管兩端電壓幾乎為一恒定值。O圖7穩(wěn)壓二極管2.3 F/V總電路圖設(shè)計(jì)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(yùn)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

11、運(yùn)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(yùn)放組成的積分器，電容C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，而且也使于調(diào)節(jié)振蕩頻率和幅度圖8 V/F總電路原理圖uc A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 f 1 R34R1C R2方波的輸出幅度由穩(wěn)壓管 Dz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VOM 1TV VzR32.3.2 電路元件的選擇及參數(shù)的確定(1)集成運(yùn)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(dāng)方波頻率較(幾十千赫 茲以上)或?qū)Ψ?/p>

12、波前后沿要求較高時，應(yīng)選擇高速集成運(yùn)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。止匕外，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 o R3是穩(wěn)壓管的限流電阻，其值根劇所用穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電流來確定。 (3)分壓電阻R3和R2阻值的確定R3和R2的作用是提供一個隨輸出方波電壓而變化的基準(zhǔn)電壓并由此決定三角波 的幅度輸出。所以 R3和R2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Vz 6v ,若要求三角波的峰值為Vomi 4v ,則若取R2=10K ,則R3=15K。當(dāng)要求三

13、角波的幅度可以調(diào)節(jié)時，R1和R2則可用電位器來代替。(4)積分元件及和C參數(shù)的確定R1和C的值應(yīng)根據(jù)方波和三角波發(fā)生器的振蕩頻率fo來確定。當(dāng)分壓電阻R1和R2的阻值確定后，先選擇電容C的值然后確定R1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C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)試，應(yīng)使其輸出電壓幅度和振蕩 頻率坊鋁浦足授計(jì) 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 R1的阻值，可 以改變振蕩頻率f。；調(diào)整電阻R2和R3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(jì)頻率/電

14、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(yùn)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(jì)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(jìn)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(fù)半周時輸出為高電平。這樣就把正弦波變成矩形波 了，當(dāng)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，具閾值電 壓Ut=0V。電路如圖9(a)

15、所示，集成運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+Uom或-Uom 當(dāng)輸入電壓uI0V時，Uo=-Uom。因此，電壓傳輸 特性如圖9(b)所示。uI0(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?yàn)橛|發(fā)器有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)、即 0和1,所以觸發(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(diǎn)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(jìn)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)

16、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(yùn)放 A1負(fù)輸 入端提供偏置電壓U1,作為比較電壓基準(zhǔn)。靜態(tài)時，電容 C1充電完畢，運(yùn)放A1正輸 入端電壓U2等于電源電壓V+,故A1輸出高電平。當(dāng)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?yàn)?U1U2 故運(yùn)放A1輸出低電平。當(dāng)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(dāng)C1上充電電壓大于U1時，既U2U1 A1輸出又變?yōu)楦唠娖剑?/p>

17、從而結(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， U1U2運(yùn)放A1 輸出低電平，隨著電容C1不斷充電，U2不斷升高，當(dāng)U2U1時，A1輸出才變?yōu)楦唠?平。2.5.3 低通濾波器低通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(diǎn)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(fù)

18、載串聯(lián)的電阻以及與負(fù)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(fù)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(jì)原理包括以上分析的三個部分：電平比較器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和低通濾波器。8+ Hi圖13 F/V 總電路圖設(shè)計(jì)原理如圖10運(yùn)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(hù)；N2及R1、R2、R5R6RC、R7R2、VT2構(gòu)成低通濾波器；N3為隔離用輸出放大器。當(dāng)有輸入信號ui時，比較器N1將

19、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(fù)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?其 值為穩(wěn)壓管VS的穩(wěn)壓值Um, uN保持在高電平UH其值為UH=R1XUm/ (R1+R2) +R2X (-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，具值為Up (t) =up () +up (0+) -up () e-t/ t式中，up(8) =E； up (0+) =R6X E/ (R+R6。當(dāng)C被充電到upUH時，N2再翻轉(zhuǎn)到達(dá)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(diǎn)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 x UmX fi圖15轉(zhuǎn)