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1、学号 201350420* 测控课程论文 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月日一、应用背景：电压频率转换器VFC（VoltageFrequencyConverter）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
2、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
3、)(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(a)转换电路(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式中输出限幅电压，其大小有稳压管VS2和VS3的稳压值所决定。 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Ui0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
4、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
5、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= ui2、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。a) 转换电路Ifuc1uc2uc30000I10Emttttt IjEm b) 波形图图2 电荷平衡式V/f转换电路及波形图假使ui0,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
6、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
7、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
8、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RS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RS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
9、RS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=(ViR4)/(2.09R3R2C2)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
10、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、
11、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
12、、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。另外相对于电压，一个信号的频率更为稳定。大家发现通过讲电压先转换为频率，再测量其频率值，从而即可得到电压的幅度值。所以在测量中不管信号的幅度值有多大，都可以只考虑其转换后所得到的较之更为稳定的频率来代替直接对信号的分析，这样得到的结果精度会更高。五、总结：通过这次论文总结使我对压频转换电路有了更深层次的认识，对模数转换电路的加深了理解，同时提高了自己对信号转换电路的分析处理能力，为今后学习工作中做了很好地铺垫。
