电压频率和频率电压转换电路的设计.docx

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1、设计一个V/F转换器，研究其产生的输出电压的频率随输入电压幅度的变化关系。1绪论(1)电压/频率转换即v/f转换，是将一定的输入信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。它的功能是将输入直流电压转换频率与其数值成正比的输出电压，故也称电压控制振荡电路。如果任何一个物理量通过传感器转换成电信号后，以预处理变换为适宜的电压信号，然后去控制压控振荡电路，再用压控振荡电路的输出驱动计数器，使之在一定时间间隔内记录矩形波个数，并用数码显示，那么可以得到该物理量的数字式测量仪表。图1数字测量仪表电压/频率电路是一种模/数转换电路，它应用于模/数转换，调频，遥控遥测等各种设备

2、。F/V转换电路F/V转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号。这种电路主要包括电平比拟器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。它有通用运放F/V转换电路和集成F/V转换器两种类型。1.1 设计要求设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波的电路,要求包括：积分器；电压比拟器和一个将给定频率的矩形波转换为直流电压的电路，要求包括：过零比拟器、单稳态触发器、低通滤波器等。1.2 设计指标(1)输入为直流电压O-IOV,输出为f=0-500Hz的矩形波。(2)输入Ui是(TlOKHZ的峰-峰值为5V的方波，输出U。为01OV的直流电压。2设计内容总体框图设计2.1V/F转换电路的设计工作

3、原理及过程积分器和滞回比拟器首尾相接形成正反应闭环系统，如图2所示，比拟器输出的矩形波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比拟器自动翻转形成矩形波，这样便可构成三角波，矩形波发生器。由于采用集成运放组成的积分电路，因此可以实现恒流充电，能够得到比拟理想的矩形波。通过分析可知，矩形波幅值大小由稳压管的稳定电压值决定，即方波的幅值O1.M。1pz1矩形波的振荡频率f=-4%C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，即输入电压与输出电压的积分成正比。滞回比拟器：用来输出矩形波，积分器得到的三角波可触发比拟器自动翻转形成矩形波。稳压管：用来确定矩形波的幅值。图2总体框架图2.2功能模块

4、的设计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，即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分量大，积分误差大，应用场合少，所以不予论述，本课程设计用到的是反相积分电路。图3积分器反相积分电路如图3所示，电容器C引入交流并联电压负反应，运放工作在线性区。由于积分运算是对瞬时值而言的，所以各电流电压均采用瞬时值符号。由电路得因为“-”端是虚地，即U-=O,并且式中c(0)是积分前时刻电容C上的电压，称为电容端电压的初始值。所以把心代入上式得R当C(O)=O时假设输入电压是图所示的阶跃电压，并假定G(O)=O,那么t=0时，由于%=E,所以由此看出，当E为正值时，输出为

5、反向积分，E对电容器恒流充电，其充电电流为E/R,故输出电压随线性变化。当,向负值方向增大到集成运放反向饱和电压Ua时,集成运放进入非线性工作状态，uo=Uol保持不变，图3所示。如输入是方波，那么输出将是三角波，波形关系如图4所示。当时间在04期间时，ui=-E电容放电当tF1时，uo=+Uom当时间在期间时，%=+七电容充电，其初始值所以当t=r2时，uo=-Uom.如此周而复始，即可得到三角波输出。图4波形变换上述积分电路将集成运放均视为理想集成运放，实际中是不可能的，其主要原因是存在偏置电流，失调电压，失调电流及其温漂等。因此，实际积分电路UO与输入电压关系与理想情况有误差，情况严重时

6、甚至不能正常工作。解决这一情况最简便的方法是，在电容两端并接一个电阻勺，利用号引入直流负反应来抑制上述各种原因引起的积分漂移现象。但R/C数值应远大于积分时间，即T/2,T为输入方波的周期否那么的自身也会造成较大的积分误差，电路如图4所示.滞回比拟器简单的电压比拟器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，如果输入信号因受干扰在阀值附近变化，如下图，现将此信号加进同相输入的过零比拟器，那么输出电压将发生不应该出现的跳变，输出电压波形如下图。用此输出电压控制电机等设备，将出现错误操作，这是不允许的。滞回比拟器能克服简单的比拟器抗干扰能力差的缺点，滞回比拟器如图5所示。滞回比拟器具有两个阀值可通

7、过电路引入正反应获得。图5滞回比拟器按集成运放非线性运用特点，根据以下公式可得知，输出电压发生跳变的临界条件是_=+O从图5可得当时所对应的均值就是阀值，即当uo=Uol时得上阀值：当人=Uh时得下阀值：由阀值可画出其传输特性。假设/为负电压，此时输出为Ud,对应其阀值为上阀值U77n。如逐渐使%上升，只要%U77n,那么输出将不变,直至%=U77n时，+_,使输出电压由Ud突跳至qw,对应其阀值为下阀值UM2再继续上升，W+W_关系不变，所以输出心=U.不变。之后Ui逐渐减少，只要%U7h2，输出JUT“2仍维持不变，直至叫二Unn时，U+0V时，Uo=-Uomo因此，电压传输特性如图9(b

8、)所示。图10过零比拟电路及电压传输特性单稳态触发器我们知道，因为触发器有两个稳定的状态，即。和1,所以触发器也被称为双稳态电路。与双稳态电路不同，单稳态触发器只有一个稳定的状态。这个稳定状态要么是0,要么是Io单稳态触发器的工作特点是：（1）在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态；（2）在受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入“暂稳态:假设稳态为0,那么暂稳态为1。（3）经过一段时间，单稳态触发器从暂稳态返回稳态。单稳态触发器在暂稳态停留的时间仅仅取决于电路本身的参数。图H单稳态触发电路此电路可用在一些自动控制系统中。电阻RI、R2组成分压电路，为运放Al负

9、输入端提供偏置电压U1.作为比拟电压基准。静态时，电容Cl充电完毕，运放AI正输入端电压U2等于电源电压V+,故Al输出高电平。当输入电压Ui变为低电平时，二极管Dl导通，电容Cl通过Dl迅速放电，使U2突然降至地电平，此时因为U1U2,故运放AI输出低电平。当输入电压变高时，二极管DI截止，电源电压R3给电容CI充电，当Cl上充电电压大于Ul时，既U2U1,Al输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然，提高Ul或增大R2、Cl的数值，都会使单稳延时时间增长，反之那么缩短。如果将二极管Dl去掉，那么此电路具有加电延时功能。刚加电时，U1U2,运放Al输出低电平，随着电容CI不断充电，U2

10、不断升高，当U2U1时，AI输出才变为高电平。低通滤波器低通滤波器是容许低于截至频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。低通滤波器原理：它是利用电容同高频阻低频,电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频,利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过，对于需要的低频，利用电容高阻、电感低阻的特点是它通过。一个可以作为低通滤波器的简朴电路包括与一个负载串联的电阻以及与负载并联的一个电容。电容有电抗作用阻止低频信号通过，低频信号经过负载。在较高频率电抗作用减弱，电容起到短路作用。这个区分频率也称为转换频率或者截止频率(HZ)由所选择的电阻和电容所确定。图12低通源波器原理图2.6F/V总电路图设计原理包括以上分析的三个局部：电平比拟器，单稳态触发器和低通滤波器。图13F/V总电路图设计原理如图10运放构成的F/V转换电路。