电压频率和频率电压转换电路的设计

上课时设置系谱，用图书专用纸通知课程设计报告课程名称：电子技术课程设计标题：电压/频率和频率/电压转换电路设计研究所：电子工程系专业化：电子信息工程类级别：姓氏：学号：2010年7月5日1简介(1)电压/频率转换，即v/f转换是根据线性比例关系将特定输入信号转换为频率信号，并且当输入电压改变时，输出频率也响应于变化。此功能是输入直流电压转换频率与该值成正比的输出电压，也称为电压控制振荡电路。任意物理量通过传感器转换为电信号后，预先转换为适当的电压信号后，控制电压控制振荡电路，利用电压控制振荡电路的输出驱动计数器以一定间隔记录矩形波的数量，用数字表示，就可以获得该物理量的数字测量仪。图1数字测量仪电压/频率电路是适用于模拟/数字转换、FM、远程遥测等各种设备的模拟/数字转换电路。(2)F/V转换电路F/V转换电路的任务是将频率变化信号转换为按比例变化的电压信号。该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。有两种类型的通用运放F/V转换电路和集成F/V转换器。1.1设计要求设计将直流电压转换为指定频率矩形波的电路需要集成商。将电压比较器和指定频率的矩形波转换为直流电压的电路，要求包括零交叉比较器、单稳定触发器、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是从0到10KHZ的峰值-峰值5V的方波，输出uo是从0到10V的直流电压。2设计内容完整方块图设计2.1 v/f转换电路设计2.1.1工作原理和流程积分器和迟滞比较器如图2所示形成直接连接的正反馈闭环系统，比较器输出的矩形波可以通过积分器积分获得三角波，三角波和比较器可以自动触发翻转，形成矩形波，形成三角波，矩形波生成器。由于由集成运算放大器组成的积分电路，可以进行恒流充电，得到比较理想的矩形波。分析表明，矩形振幅大小是由稳定管稳定电压值方波的振幅决定的。矩形波的振动频率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。也就是说，输入电压与输出电压的积分成正比。磁滞比较器：用于输出方形波，积分器生成的三角波可以触发比较器自动翻转矩形波。稳定管：用于确定矩形波的大小。图2完整框架图2.2功能模块设计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。也就是说，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组件大，积分误差大，应用实例少，因此没有说明，本过程是使用逆相积分电路设计的。图3集成商逆相积分电路如图3所示，电容器c引入交流并联电压负反馈，使用运算放大器工作在线区域。积分运算是针对瞬时值的，因此每个电流电压都使用瞬时值符号。从电路中获得“-”结尾是虚拟的，即U-=0其中是集成前时间电容器c的电压，称为电容器端电压的初始值。所以接受代理作为常识那时输入电压是图中所示的步进电压，t=0。所以这表明，当E为正时，输出为逆积分，E为恒流电容器充电，充电电流为E/R时，输出电压线性变化。集成运算放大器在负方向上增加到集成运算放大器反向饱和电压时进入非线性工作状态，如图3所示。如果输入是球面波，则输出是三角波，如图4所示。时间为0到期间时，电容器放电当T=1时，时间为到期间时，电容充电并成为初始值所以T=时。这样回去就能得到三角波输出。图4波形转换上述积分电路将集成运算放大器视为理想的集成运算放大器，实际上是不可能的。主要原因是偏置电流、偏置电压、偏置电流和温度漂移等。因此，实际积分电路uo和输入电压关系在理想情况下存在错误，在情况严重的情况下可能无法正常工作。解决这一问题的最简单方法是将电阻连接到电容的两端，并利用引入直流负反馈来抑制这种各种原因引起的积分漂移现象。但是，值必须大于积分时间。即，T/2，T是输入方波的周期。否则，电路将产生更大的积分误差，如图4所示。2.2.2迟滞比较器简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力低。如图所示，如果输入信号受到干扰，在阈值附近发生变化，则将该信号添加到同一相位输入的零交叉比较器中，则在输出电压下发生不应发生的跳跃，输出电压波形如图所示。用此输出电压控制电动机等设备会导致故障操作，这是不允许的。磁滞比较器可以克服图5所示简单比较器抗干扰能力差的缺点。迟滞比较器有两个阈值，通过在电路中引入正反馈可获得。图5迟滞比较器根据集成运放的非线性应用特性，根据以下公式，输出电压跳跃的临界条件是。图5中提供时间对应的值是阈值，即取阈值时：时阈值：阈值可以绘制传输特性。假设电压为负，则输出为。阈值是父阈值。增量上升时，=到输出没有变化，输出电压突然跳跃，其阈值为下限阈值。如果继续上升，关系不会改变，因此输出不会改变。随后逐渐减小，一个输出不变，直到=诗，u=u-，输出再次急剧变化，从下跳到。相滞后比较器的传输特性如图6所示。用同样的方法，得到了反相滞后比较器的临界电压和传输特性。传输特性如图6所示。显然，更改UR会更改其阈值，从而更改传输属性。图6为Ur=0，两个回路的传输特性基于垂直轴。图6传输功能2.2.3稳定管稳压器二极管使用PN接头的击穿特性工作。稳压器二极管反向击穿后的伏安特性很陡。也就是说，如果通过压力管道的电流发生了很大的变化，两端的电压变化几乎是恒定的，但是很小。使用此特性可以配置所需的电压调节电路，通过电流限制电阻限制电压调节器的最大电流。如果输入电压或负荷发生变化，导致压力管道电流发生变化，则压力管道的两端电压几乎保持不变。图7电压调节二极管2.3 F/V普通原理图设计原理2.3.1选择方波和三角波发生电路的形式由集成运算放大器组成的方波和三角波发生器具有更多的电路形式，但通常由迟滞比较器和积分电路组成。根据积分电路，可以分为两种类型。一个由一般RC积分电路和磁滞比较器组成，另一个由恒流充电放电积分电路和磁滞比较器组成。常用的三角波和方波发生电路由集成运算放大器组成的积分器和磁滞比较器组成，如图7所示。采用了由集成运算放大器组成的积分器，静电总是处于恒流充电和放电状态，因此三角波和方波的性能大大提高，线性度不仅能得到更理想的三角波，还能轻松调节振荡频率和振幅。图8 V/F总电路线路图图9 V/F转换波形图分析图7中显示的电路与方波和三角波的振荡频率相同，其值为方波的输出振幅由稳定器确定，方波由积分获得，因此三角波输出振幅2.3.2电路组件选择和参数确定(1)集成运算放大器选择输出方波的前后时间与磁滞比较器的转换速度有关，因此，当方波频率较高(几十千赫以上)或相对波前要求较高时，必须选择高速集成运算放大器来配置磁滞比较器。(2)稳定器管的选择稳定器管的作用是限制和确定方波的振幅。另外，方波振幅和宽度的对称性也与稳定管的对称性有关。为了稳定对称的方波输出，通常使用高精度双向调节器二极管，如2DW7。稳定器管的限流电阻，其值由指压管的电压调节器电流决定。(3)分压电阻和电阻的测定和的作用是提供根据输出方波电压而变化的参考电压，并相应地确定三角波的振幅输出。因此，和的电阻值必须根据三角波输出振幅的要求来确定。例如，如果所需三角波的峰值为=10K时=15K。如果三角波的振幅需要可以调整，则可以用电位差计替代R1和。(4)确定积分因子和参数和的值应根据方波和三角波发生器的振动频率确定。确定分压电阻和的电阻值后，选择电容器的值，然后确定的电阻值。对于图7所示的电路，为了减少积分漂移，电容必须尽可能大。但是电量大的电容漏电也很大。2.3.3方波和三角波发生电路调试方法方波和三角波发生电路的调试需要制定输出电压幅度和振荡频率广场铝捕获系统要求。为此，可以使用示波器测量方波和三角波的频率和振幅。调整电阻的电阻可以改变振荡频率。您可以调整阻抗和阻抗，以变更三角波的输出宽度。2.4频率/电压转换电路设计频率/电压转换电路的任务是将频率变化信号转换为按比例变化的电压信号。该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。通用运放频率/电压频率/电压转换电路和集成频率/电压转换器。图9频率/电压转换电路方块图2.5功能模块设计2.5.1零交叉比较器零交叉比较器的工作方式是将输入信号与0V接地电压输入进行比较，以确定输出是高电平还是低电平。例如，逆输入的零交叉比较器在输入正弦信号时，在正弦波的正伴奏下输出为低水平，在正弦波的负伴奏下输出为高水平。正弦波变成矩形波。当然，也可以将三角波等波形转换成矩形波。顾名思义，过零比较器是阈值电压UT=0V。电路在开环状态下工作，如图9(a)所示，输出电压为单位或-单位。输入电压uI0V时，UO=UOM；输入电压uI0V时，UO=-UOM。因此，电压传输特性如图9(b)所示。UoUI单位UIUo-单位UI0UI0-(a)电路(b)电压传输特性图10过零比较电路和电压传输特性2.5.2单级稳定触发器我们有两个稳定的状态，即0和1，所以触发器也称为双稳态电路。与双稳态电路不同，一个稳态触发器只能有稳定状态。此稳定状态为0或1。单稳态触发器的特点是(1)没有外部触发脉冲的稳态触发器保持正常状态。(2)由于外部触发脉冲的作用，单稳态触发器反转，进入“瞬态稳态”。假定正常状态为0，则临时正常状态为1。(3)经过一定时间后，单稳态触发器从瞬态稳态返回稳态。单稳态触发器在暂时正常状态下停留的时间仅取决于电路本身的参数。图11级稳定触发电路该电路可用于某些自动控制系统。电阻R1、R2构成了作为比较电压基准提供运算放大器A1的负输入部的偏置电压U1的分压电路。在静态情况下，电容C1充电，op放大器A1的正输入端电压U2等于电源电压v，因此A1输出级别高。如果输入电压Ui变更为低电平，则二极管D1传导，电容C1通过D1快速放电，使U2突然下降到接地电平，此时，由于U1U2，运算放大器A1输出低电平。随着输入电压的提高，二极管D1关闭，电源电压R3充电电容C1，如果C1的充电电压大于U1，则U2U1和A1输出变为高电平，从而结束单稳定触发器。提高U1或增加R2，C1的值会增加单个延迟，反之亦然。卸下二极管D1后，此电路具有通电延迟功能。第一次打开电源时，U1U2、op放大器A1输出较低的电平，随着电容持续充电C1，U2继续增加，U2U1的A1输出更改为较高的电平。2.5.3低通滤波器低通滤波器是允许低于频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波器设备。低通滤波器原理：使用电容(例如高频电阻低频和低频电阻高频)的原理。需要切断的高频，其特点是使用电容器吸收电感，避免通过它所需的低频频率，使用电容的高电阻，电感低电阻。可用作低通滤波器的简单电路包括与一个负载相关联的电阻和与负载平行的一个电容器。电容有电抗效果，防止低频信号通过，低频信号通过负荷。高频电抗效果减弱后，电容起短路的作用。此区分频率也称为转换或阻挡频率(Hz)，由选定的电阻和电容决定。图12低通滤波器原理图2.6 F/V普通原理图设计原理包括三个分析部分：电平比