電壓頻率轉(zhuǎn)換電路介紹及擴(kuò)展

學(xué)號(hào)學(xué)號(hào)201350420**測(cè)控課程論文學(xué)院物理電子工程學(xué)院專業(yè)電子信息工程年級(jí)2***級(jí)姓名***論文題目電壓頻率轉(zhuǎn)換電路介紹及擴(kuò)展指導(dǎo)教師***成績201５年12月２５日一、應(yīng)用背景：電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC（Voltage

Frequency

Converter）是一種實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件，將模擬電壓量變換為脈沖信號(hào)，該輸出脈沖信號(hào)的頻率與輸入電壓的大小成正比。電壓頻率轉(zhuǎn)換器也稱為電壓控制振蕩電路（VCO），簡稱壓控振蕩電路。隨電壓—頻率轉(zhuǎn)換實(shí)際上是一種模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。當(dāng)模擬信號(hào)（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出是一串頻率正比于模擬信號(hào)幅值的矩形波，顯然數(shù)據(jù)是串行的。串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換在數(shù)字控制系統(tǒng)中很有用，它可以把模擬量誤差信號(hào)變成與之成正比的脈沖信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)式伺服機(jī)構(gòu)用來精密控制。

二、V/f轉(zhuǎn)換器詳解V/f(電壓/頻率)轉(zhuǎn)換器能把輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，即它的輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)電壓值成比例，故又稱為電壓控制(壓控)振蕩器(VCO)。由于頻率在傳送過程中穩(wěn)定度很高，能夠很好排除干擾，所以其廣泛應(yīng)用在調(diào)頻，鎖相和A/D變換等許多技術(shù)領(lǐng)域。電路主要指標(biāo)有：額定工作頻率和動(dòng)態(tài)范圍，靈敏度或變換系數(shù)，非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數(shù)等。通用V/f轉(zhuǎn)換電路有積分復(fù)原式轉(zhuǎn)換電路和電荷平衡式轉(zhuǎn)換電路。1、積分復(fù)原型下圖1、(a)(b)分別為積分復(fù)原電路圖和波形圖。電路主要組成有：積分器、比較器和積分復(fù)原開關(guān)等式中rce—晶體管V集電結(jié)ce結(jié)電阻放電持續(xù)時(shí)間T2為T2=||C=2(R3+rce)C||因此，充放電周期為T=T1+T2=(U1-U2)C[]由上式可見，周期T包括兩項(xiàng)：第一項(xiàng)由輸入電壓對(duì)電容C的充電過程決定，f-V關(guān)系是線性的；第二項(xiàng)為一常數(shù)，它的大小由C的放電過程決定，是給f-V關(guān)系帶來非線性的因素。為提高V/f轉(zhuǎn)換的線性度，要求>>在上述條件下，放電時(shí)間可以忽略，輸出脈沖的頻率為f0==ui2、電荷平衡式V/f轉(zhuǎn)換電路電荷平衡式V/f轉(zhuǎn)換電路基于電荷平衡原理，主要由積分器N1、過零比較器N2、單穩(wěn)定時(shí)器等組成，如圖2所示。轉(zhuǎn)換電路IIfuc1uc2uc30000I10EmtttttI－Em波形圖圖2電荷平衡式V/f轉(zhuǎn)換電路及波形圖假使ui>0,當(dāng)積分器N1輸出電壓uc下降到零時(shí)，比較器N2翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)單穩(wěn)定時(shí)器產(chǎn)生脈寬為t0的脈沖，該脈沖接通恒流源，設(shè)計(jì)>i,從而使uc迅速向上斜變。當(dāng)脈沖結(jié)束后，開關(guān)S斷開，由ui產(chǎn)生的電流i=ui/R向電容C充電使uc迅速向上斜變。當(dāng)uc過零時(shí)，比較器又一次翻轉(zhuǎn)使單穩(wěn)定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)t0脈沖，電容器再一次放電，如此反復(fù)下去。在一個(gè)周期內(nèi)，電容C上的電荷量不發(fā)生變化，即由i產(chǎn)生的充電電荷與產(chǎn)生的放電電荷相等。在充電時(shí)間t1內(nèi)的電荷量為Q1=it1在放電時(shí)間t0內(nèi)的電荷量為Q0=t0由電荷平衡原理，Q0=Q1，得t1=()t0輸出脈沖頻率為f==i=由上式可以看出，該種轉(zhuǎn)換器從原理上消除了積分復(fù)原時(shí)間所引起的非線性誤差，故大大的提高了轉(zhuǎn)換的線性度。集成V/f轉(zhuǎn)換器大多采用電荷平衡型V/f轉(zhuǎn)換電路做基本電路。3、集成V/F轉(zhuǎn)換器LM331為常用的集成V/F轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部有（1）輸入比較電路、（2）定時(shí)比較電路、（3）R-S觸發(fā)電路、（4）復(fù)零晶體管、（5）輸出驅(qū)動(dòng)管、（6）能隙基準(zhǔn)電路、（7）精密電流源電路、（8）電流開關(guān)、（9）輸出保護(hù)電路等部分。輸出管采用集電極開路形式，因此可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平。

LM331芯片的引腳簡介：

引腳①為電流源輸出端，在fo（引腳三③）輸出邏輯低電平時(shí)，電流源輸出對(duì)電容充電。

引腳②為增益調(diào)整，改變②管腳所接電阻的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小。

引腳③為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由⑤管腳所接Ｒt和Ｃt決定。

引腳④為電源地。

引腳⑤為定時(shí)比較器正相輸入端。

引腳⑥為輸入比較器反相輸入端。

引腳⑦為輸入比較器正相輸入端。

引腳⑧為電源正端。使用lm331組成的壓頻轉(zhuǎn)換電路及其原理分析當(dāng)輸入端Vi+輸入一正電壓時(shí)，輸入比較器輸出高電平，使R－S觸發(fā)器置位，輸出高電平，輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，輸出端f0為邏輯低電平，同時(shí)電源9Vcc也通過電阻R2對(duì)電容C2充電。當(dāng)電容C2兩端充電電壓大于Vcc的2/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出一高電平，使R－S觸發(fā)器復(fù)位，輸出低電平，輸出驅(qū)動(dòng)管截止，輸出端fo為邏輯高電平，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容C2通過復(fù)零晶體管迅速放電；電子開關(guān)使電容C3對(duì)電阻R3放電。當(dāng)電容C3放電電壓等于輸入電壓Vi時(shí)，輸入比較器再次輸出高電平，使R－S觸發(fā)器置位，如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。輸出脈沖頻率fo與輸入電壓Vi成正比，從而實(shí)現(xiàn)了電壓－頻率變換。其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為：

fo=(Vi×R4)/(2.09×R3×R2×C2)

由式知電阻R2、R3、R4、和C2直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果fo，因此對(duì)元件的精度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電阻R1和電容C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。三、壓頻轉(zhuǎn)換電路的應(yīng)用：電壓/頻率變換電路（VFC）應(yīng)用十分廣泛，在不同的領(lǐng)域有不同的名稱。在無線電技術(shù)中，它被稱為頻率調(diào)制（FM）；在信號(hào)源電路中，它被稱為壓控振蕩器（OSC）；在信號(hào)處理與變換電路中，它又被稱為電壓/頻率變換電路和準(zhǔn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路。1、下圖為無線電技術(shù)中常用的一個(gè)三級(jí)單回路變?nèi)荻O管調(diào)相電路。每一個(gè)回路均有一個(gè)變?nèi)荻O管以實(shí)現(xiàn)調(diào)相。三個(gè)變?nèi)荻O管的電容量變化均受同一調(diào)制信號(hào)控制。為了保證三個(gè)回路產(chǎn)生相等的相移，每個(gè)回路的Q值都可用可變電阻(22k)調(diào)節(jié)。級(jí)間采用小電容(1PF)作為耦合電容，因其耦合弱，可認(rèn)為級(jí)與級(jí)之間的相互影響較小，總相移是三級(jí)相移之和。這種電路能在范圍內(nèi)得到線性調(diào)制。這類電路由于電路簡單、調(diào)整方便、故得到了廣泛的應(yīng)用。2、壓控振蕩電路如下圖所示：其工作原理是通過場(chǎng)效應(yīng)管門源間電壓的變化，使輸出形成占空比可調(diào)，周期變化的方波。四、壓頻轉(zhuǎn)換電路與普通模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的區(qū)別及優(yōu)點(diǎn)：1、區(qū)別：模數(shù)轉(zhuǎn)換：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程被稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，其主要性能指標(biāo)有：分辨力，轉(zhuǎn)換速度等。壓頻轉(zhuǎn)換：電壓頻率轉(zhuǎn)換器也稱為電壓控制振蕩電路（VCO），簡稱壓控振蕩電路。隨電壓—頻率轉(zhuǎn)換實(shí)際上是一種模擬量和頻率量之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。其主要性能指標(biāo)有：額定工作頻率和動(dòng)態(tài)范圍，靈敏度或變換系數(shù)，非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數(shù)等。2、優(yōu)點(diǎn)：在壓頻轉(zhuǎn)換中，當(dāng)模擬信號(hào)（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出是一串頻率正比于模擬信號(hào)幅值的矩形波，顯然數(shù)據(jù)是串行的。這與目前通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行輸出不同，然而其分辨率卻可以很高。此外，在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換過程中，可以應(yīng)用的芯片很多，如AD0809、AD574A、LM331等都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。但人們發(fā)現(xiàn)芯片一般輸出都是并行輸出（獨(dú)立、同時(shí)、同步），但一般的電路對(duì)信號(hào)的處理都是串行的。但運(yùn)用電壓轉(zhuǎn)換為頻率就解決了數(shù)模的轉(zhuǎn)換，同時(shí)又可以輸出串行信號(hào)，幾乎完全可以替代AD芯片的作用。

另外相對(duì)于電壓，一個(gè)信號(hào)的頻率更為穩(wěn)定。大家發(fā)現(xiàn)通過講電壓先轉(zhuǎn)換為頻