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(gè)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(hào)按線性的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，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(gè)物理量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，以預(yù)處理變換為合適的電壓信號(hào)，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(dòng)計(jì)數(shù)器，使之在一定時(shí)間間隔內(nèi)記錄矩形波個(gè)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(cè)量?jī)x表。 圖1 數(shù)字測(cè)量?jī)x表 電壓/頻率電路是一種模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2、，它應(yīng)用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換，調(diào)頻，遙控遙測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換成按比例變化的電壓信號(hào)。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(gè)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(gè)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(guò)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的峰-峰值為5V的方波，輸出uo為010V的直流電壓。

3、2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 總體框圖設(shè)計(jì)21 V/F轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)2.1.1 工作原理及過(guò)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(dòng)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(guò)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 。 矩形波的振蕩頻率 2.1.2 模塊功能積分器：積分電路可以完成對(duì)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：用來(lái)輸出矩形波，積分器得到的三角波可觸發(fā)比較器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)形成矩形

4、波。穩(wěn)壓管：用來(lái)確定矩形波的幅值。 圖 2 總體框架圖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(duì)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(chǎng)合少，所以不予論述，本課程設(shè)計(jì)用到的是反相積分電路。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(duì)瞬時(shí)值而言的，所以各電流電壓均采用瞬時(shí)值符號(hào)。由電路得因?yàn)椤?”端是虛地，即U-=0,并且 式中是積分前時(shí)刻電容C上的電壓，稱為電容端電壓的初始值。所以 把 代入上式得 當(dāng)時(shí) 若輸入電壓是圖所示的階躍電壓，并

5、假定,則t>=0時(shí)，由于 ，所以 由此看出，當(dāng)E為正值時(shí)，輸出為反向積分，E對(duì)電容器恆流充電，其充電電流為E/R，故輸出電壓隨線性變化。當(dāng)向負(fù)值方向增大到集成運(yùn)放反向飽和電壓時(shí)，集成運(yùn)放進(jìn)入非線性工作狀態(tài)， 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。當(dāng)時(shí)間在0期間時(shí)，電容放電 當(dāng)t= 1時(shí)， 當(dāng)時(shí)間在 期間時(shí)，電容充電，其初始值 所以 當(dāng) t= 時(shí)，。 如此周而復(fù)始，即可得到三角波輸出。圖4 波形變換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

6、理想情況有誤差，情況嚴(yán)重時(shí)甚至不能正常工作。解決這一情況最簡(jiǎn)便的方法是，在電容兩端并接一個(gè)電阻 ，利用 引入直流負(fù)反饋來(lái)抑制上述各種原因引起的積分漂移現(xiàn)象。但 數(shù)值應(yīng)遠(yuǎn)大于積分時(shí)間，即T/2 ，T 為輸入方波的周期否則的自身也會(huì)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(jiǎn)單的電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且靈敏度高，但它的抗干擾能力差， 如果輸入信號(hào)因受干擾在閥值附近變化，如圖所示，現(xiàn)將此信號(hào)加進(jìn)同相輸入的過(guò)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(cuò)誤操作，這是不允許的。滯回比較器能克服簡(jiǎn)單的比較器抗干擾能力差的缺點(diǎn)，滯回比

7、較器如圖5所示。滯回比較器具有兩個(gè)閥值可通過(guò)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 。 從圖 5可得 當(dāng) 時(shí)所對(duì)應(yīng)的 值就是閥值，即 當(dāng) 時(shí)得上閥值： 當(dāng) 時(shí)得下閥值： 由閥值可畫出其傳輸特性。假設(shè) 為負(fù)電壓，此時(shí)< 輸出為 ，對(duì)應(yīng)其閥值為上閥值 。如逐漸使 上升，只要> ，則輸出 將不變，直至>= 時(shí)，> ，使輸出電壓由 突跳至 ，對(duì)應(yīng)其閥值為下閥值 。 再繼續(xù)上升，> 關(guān)系不變，所以輸出 不變。之后 逐漸減少，只要> ，輸出+ 仍維持不變，直至<= 時(shí)，u+<=u- ，

8、輸出再次突變，由 下跳至 。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： 其傳輸特性如圖6所示。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(shí)，兩個(gè)電路的傳輸特性均以縱軸對(duì)稱。 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性是十分陡峭的，也就是說(shuō)，通過(guò)穩(wěn)壓管的電流有很大變化時(shí)，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(lái)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(shí)，輸出

9、電壓即穩(wěn)壓管兩端電壓幾乎為一恒定值。 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，而且也便于調(diào)節(jié)振蕩頻率和幅度。 圖 8 V/F總

10、電路原理圖圖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 方波的輸出幅度由穩(wěn)壓管 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 2.3.2 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(shí)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讲ㄇ昂笱匾筝^高時(shí)，應(yīng)選擇高速集成運(yùn)算放大器來(lái)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。此外，方波幅度和寬度的對(duì)稱性也與穩(wěn)壓管的對(duì)稱性有關(guān)。為了得到穩(wěn)定而且對(duì)稱的方波輸出，通常選用高精度雙向穩(wěn)壓二極管，如 2DW7 。是穩(wěn)壓管的限流電阻，其值根劇

11、所用穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電流來(lái)確定。(3）分壓電阻和阻值的確定和的作用是提供一個(gè)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 和的阻值應(yīng)根據(jù)三角波輸出幅度的要求來(lái)確定。例如，已知 ，若要求三角波的峰值為 ，則若取=10K ，則=15K 。當(dāng)要求三角波的幅度可以調(diào)節(jié)時(shí)，R1 和則可用電位器來(lái)代替。（4）積分元件及和參數(shù)的確定 和 的值應(yīng)根據(jù)方波和三角波發(fā)生器的振蕩頻率來(lái)確定。當(dāng)分壓電阻 和的阻值確定后，先選擇電容的值然后確定的阻值。對(duì)于圖 7 所示電路，為了減小積分飄移，應(yīng)盡量將電容 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)

12、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(cè)量方波和三角波的頻率和幅度。調(diào)整電阻 的阻值，可以改變振蕩頻率；調(diào)整電阻和的阻值，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/電壓轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是把頻率變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成按比例變化的電壓信號(hào)。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(guò)零比較器過(guò)零比較器的工作原理是將輸入信號(hào)與0V地電壓進(jìn)比較來(lái)判定輸出是高電平還是低電平，例如反相輸入端輸入的過(guò)零比較器在輸

13、入正弦信號(hào)時(shí)，在正弦波的正半周時(shí)輸出為低電平，而在正弦波的負(fù)半周時(shí)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(guò)零比較器，顧名思義，其閾值電壓UT=0V。電路如圖9(a)所示，集成運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+UOM或-UOM。當(dāng)輸入電壓uI<0V時(shí)，UO=+UOM；當(dāng)輸入電壓uI>0V時(shí)，UO=-UOM。因此，電壓傳輸特性如圖9(b)所示。uouI+UOMuIuo-UOMuI<0uI>0(a)電路 （b）電壓傳輸特性圖 10 過(guò)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(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，即0和1，所以

14、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(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。這個(gè)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(méi)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)過(guò)一段時(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)，電容C1充電完畢，運(yùn)放A1正輸入端電壓U2等于電

15、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(shí)，二極管D1導(dǎo)通，電容C1通過(guò)D1迅速放電，使U2突然降至地電平，此時(shí)因?yàn)閁1>U2，故運(yùn)放A1輸出低電平。當(dāng)輸入電壓變高時(shí)，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(shí)，既U2>U1，A1輸出又變?yōu)楦唠娖?，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(huì)使單穩(wěn)延時(shí)時(shí)間增長(zhǎng)，反之則縮短。如果將二極管D1去掉，則此電路具有加電延時(shí)功能。剛加電時(shí)，U1>U2，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)U2>U1時(shí)，A1輸出才變?yōu)楦唠娖健?.5.3低通濾波器低通

16、濾波器是容許低于截至頻率的信號(hào)通過(guò)， 但高于截止頻率的信號(hào)不能通過(guò)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(duì)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(guò)，對(duì)于需要的低頻，利用電容高阻、電感低阻的特點(diǎn)是它通過(guò)。一個(gè)可以作為低通濾波器的簡(jiǎn)樸電路包括與一個(gè)負(fù)載串聯(lián)的電阻以及與負(fù)載并聯(lián)的一個(gè)電容。電容有電抗作用阻止低頻信號(hào)通過(guò)，低頻信號(hào)經(jīng)過(guò)負(fù)載。在較高頻率電抗作用減弱，電容起到短路作用。這個(gè)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(gè)部分：電平比較

17、器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和低通濾波器。 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、R5、R6、R、C、R7、R2、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(hào)ui時(shí)，比較器N1將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換相同頻率的方波u，再經(jīng)過(guò)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(lái)的正脈沖使N2翻轉(zhuǎn)、輸出變?yōu)榈碗娖剑贿@時(shí)VT1截止，u2變?yōu)楦唠娖剑ㄆ渲禐榉€(wěn)壓管VS的穩(wěn)壓值Um），uN保持在高

18、電平UH，其值為 UH=R1×Um/（R1+R2）+R2×（-E）/（R1+R2）同時(shí)VT2截止，使電容C被+E通過(guò)R充電，N2同向輸入up隨之變化，其值為 Up（t）=up（）+up（0+）-up（）e-t/t式中，up（）=E；up（0+）=R6× E/（R+R6）。當(dāng)C被充電到upUH時(shí)，N2再翻轉(zhuǎn)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，充電時(shí)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× Um× fi從而完成了輸入頻率fi到輸出模擬電壓的轉(zhuǎn)換。 圖 14 轉(zhuǎn)換前的波形 圖 15 轉(zhuǎn)換后的波形3 設(shè)計(jì)心得兩周的課程設(shè)計(jì)，增加了自己的動(dòng)手實(shí)踐能力。理論與實(shí)踐還是有一定的差距的，在理論上不管多精確的數(shù)據(jù)，一旦用于實(shí)