电压频率转换电路介绍及扩展

测控课程测控课程论文论文 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 201 年 12 月 日 学号 201350420 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 U V N1 N2 R2 E ui R1 R3 C R4 R5 R6 R7 R8 R9 uC uP VS1 VS2 VS3 uo a 转换电路 O U1 U2 uT uo T1 T2 t uC U2 U1 t t O O uP 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 N2 R5 R8 组 成的滞回比较器的正相输入端两个门限电频为 76 6 Z 76 1 RR 7 U R R u R R u 76 6 Z 76 2 R R 7 U R R u R R u 式中 输出限幅电压 其大小有稳压管 VS2 和 VS3 的稳压值所 Z u 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 uc t U1 令充电持续时间为 T1 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 rce 晶体管 V 集电结 ce 结电阻 放电持续时间 T2为 T2 C 2 R3 rce 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 ui 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 A1 A2 定时 电路 CF Rf usc1 usc2 Ij E If I1 D1 D2 Em usc3 a 转换电路 If u c1 u c2 u c3 0 0 0 0 I10 E m t t t t t Ij E m b 波形图 图 2 电荷平衡式 V f 转换电路及波形图 假使 ui 0 当积分器 N1输出电压 uc下降到零时 比较器 N2翻 转 触发单稳定时器产生脉宽为 t0的脉冲 该脉冲接通恒流源 设 计 i 从而使 uc迅速向上斜变 当脉冲结束后 开关 S 断开 由 ui产生的电流 i ui R 向电容 C 充电使 uc 迅速向上斜变 当 uc 过 零时 比较器又一次翻转使单稳定时器产生一个 t0脉冲 电容器再 一次放电 如此反复下去 在一个周期内 电容 C 上的电荷量不发 生变化 即由 i 产生的充电电荷与 产生的放电电荷相等 在充电时间 t1内的电荷量为 Q1 it1 在放电时间 t0内的电荷量为 Q0 t0 由电荷平衡原理 Q0 Q1 得 t1 t0 输出脉冲频率为 f i 由上式可以看出 该种转换器从原理上消除了积分复原时间所 引起的非线性误差 故大大的提高了转换的线性度 集成 V f 转换 器大多采用电荷平衡型 V f 转换电路做基本电路 3 集成 V F 转换器 LM331 为常用的集成 V F 转换器 内部有 1 输入比较电路 2 定时比较电路 3 R S 触发电路 4 复零晶体管 5 输 出驱动管 6 能隙基准电路 7 精密电流源电路 8 电流开 关 9 输出保护电路等部分 输出管采用集电极开路形式 因此 可以通过选择逻辑电流和外接电阻 灵活改变输出脉冲的逻辑电平 LM331 芯片的引脚简介 引脚 为电流源输出端 在 fo 引脚三 输出逻辑低电平时 电 流源输出对电容充电 引脚 为增益调整 改变 管脚所接电阻的值可调节电路转换增益 的大小 引脚 为频率输出端 为逻辑低电平 脉冲宽度由 管脚所接 t 和 t 决定 引脚 为电源地 引脚 为定时比较器正相输入端 引脚 为输入比较器反相输入端 引脚 为输入比较器正相输入端 引脚 为电源正端 使用 lm331 组成的压频转换电路及其原理分析 当输入端 Vi 输入一正电压时 输入比较器输出高电平 使 R S 触发器置位 输出高电平 输出驱动管导通 输出端 f0 为逻 辑低电平 同时电源 9 Vcc 也通过电阻 R2 对电容 C2 充电 当电容 C2 两端充电电压大于 Vcc 的 2 3 时 定时比较器输出一高电平 使 R S 触发器复位 输出低电平 输出驱动管截止 输出端 fo 为逻 辑高电平 同时 复零晶体管导通 电容 C2 通过复零晶体管迅速放 电 电子开关使电容 C3 对电阻 R3 放电 当电容 C3 放电电压等于输 入电压 Vi 时 输入比较器再次输出高电平 使 R S 触发器置位 如此反复循环 构成自激振荡 输出脉冲频率 fo 与输入电压 Vi 成 正比 从而实现了电压 频率变换 其输入电压和输出频率的关系 为 fo Vi R4 2 09 R3 R2 C2 由式知电阻 R2 R3 R4 和 C2 直接影响转换结果 fo 因此对元件 的精度要有一定的要求 可根据转换精度适当选择 电阻 R1 和电容 C1 组成低通滤波器 可减少输入电压中的干扰脉冲 有利于提高转 换精度 三 压频转换电路的应用 电压 频率变换电路 VFC 应用十分广泛 在不同的领域有不 同的名称 在无线电技术中 它被称为频率调制 FM 在信号源电 路中 它被称为压控振荡器 OSC 在信号处理与变换电路中 它 又被称为电压 频率变换电路和准模 数转换电路 1 下图为无线电技术中常用的一个三级单回路变容二极管调相电路 每一个回路均有一个变容二极管以实现调相 三个变容二极管的电 容量变化均受同一调制信号控制 为了保证三个回路产生相等的相 移 每个回路的 Q 值都可用可变电阻 22k 调节 级间采用小电容 1PF 作为耦合电容 因其耦合弱 可认为级与级之间的相互影响较 小 总相移是三级相移之和 这种电路能在范围内得到线性调制 这类电路由于电路简单 调整方便 故得到了广泛的应用 2 压控振荡电路如下图所示 其工作原理是通过场效应管门源间 电压的变化 使输出形成占空比可调 周期变化的方波 四 压频转换电路与普通模数转换电路的区别及优点 1 区别 模数转换 将模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换 其主要性能指标有 分辨力 转换速度等 压频转换 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频率 量之间的转换技术 其主要性能指标有 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 2 优点 在压频转换中 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 这与目前通用的模数转换器并行输出不同 然而其分辨 率却可以很高 此外 在进行数模转换过程中 可以应用的芯片很多 如 AD0809 AD574A LM331 等都可以实现数模转换 但人们发现芯片 一般输出都是并行输出 独立 同时 同步 但一般的电路对信号 的处理都是串行的 但运用电压转换为频率就解决了数模的转换 同时又可以输出串行信号 几乎完全可以替代 AD 芯片的作用 另外相对于电