电压频率和频率电压转换电路的设计Word格式文档下载.docx
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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较器、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
比较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：
过零比较器、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0-10V,输出为f=0-500Hz的矩形波。
（2）输入ui是0~10KHZ勺峰-峰值为5V的方波，输出uo为0~10V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
2.1.1工作原理及过程
积分器和滞回比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图2所示，比较器输出的
矩形波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较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，能够得到比较理想的矩形波。
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
VOLMVZ。
1r
矩形波的振荡频率f1二
4RCR2
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，即输入电压与输出电压的积分成正比。
滞回比较器：
用来输出矩形波，积分器得到的三角波可触发比较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功能模块的设计
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，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,
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馈，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
u。
Ucu
所以
Uo-EdtEt
rcrc
由此看出，当E为正值时，输出为反向积分，E对电容器恆流充电，其充电电流为E/R,故输出电压随线性变化。
当Uo向负值方向增大到集成运放反向饱和电压U°
L时，集成运放进入非线性工作状态，UoUol保持不变，图3所示。
如输入是方波，则输出将是三角波，波形关系如图4所示。
当时间在0〜b期间时，UiE电容放电
Uc
Uc（tJ
1t2
RCt1
Uo（tJ
Uom
1
t2
tEdtUom
Edt
（tj
RC
E
UoUc
tUom
t1
当t=
t2时,
Uo
u
om0
如此周而复始，即可得到三角波输出
当时间在t1〜t2期间时，Ui
E电容充电，其初始值
—
t
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Rf，利用Rf引入直流负反馈来抑制上述各种原因引起的积分漂移现象。
但RfC数值应远大于积分时间，即T/2，T为输入方波的周期否则Rf的自身也会造成较大的积分误差，电路如图4所示.
222滞回比较器
简单的电压比较器结构简单，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，如图所示，现将此信号加进同相输入的过零比较器，则输出电压将发生不应该出现的跳变，输出电压波形如图所示。
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。
滞回比较器能克服简单的比较器抗干扰能力差的缺点，滞回比较器如图5所示。
滞回比较器具有两个阀值可通过电路引入正反馈获得。
图5滞回比较器
按集成运放非线性运用特点，根据下列公式可得知，输出电压发生跳变的临界条件是UU。
从图5可得
UUr
RII
U-Ur-Uo
R1RfRf
当UU时所对应的Ui值就是阀值，即
UtH（11）UR1Uo
RfRf
当UoUol时得上阀值：
R1R
UtH1（1-）Ur-Uol
当UoUoh时得下阀值：
UTH2（1■RL）UR-RLUOH
由阀值可画出其传输特性。
假设Ui为负电压，此时UVU输出为Uol，对应其阀值为上阀值Uthi。
如逐渐使Ui上升，只要Ui>
UTHi，则输出UoUol将不变，
直至Ui>
=Uthi时，U>
U，使输出电压由Uol突跳至U°
h，对应其阀值为下
阀值UtH2。
Ui再继续上升，U>
U关系不变，所以输出UoUOH不变。
之
后Ui逐渐减少，只要Ui>
Uth2，输出U°
+Uth2仍维持不变，直至Ui<
=Uth2时,
U+<
=U-，输出再次突变，由Uoh下跳至Uol。
其同相滞回比较器的传输特性
如图6所示。
同样的方法可求得反相滞回比较器的阀值电压和传输特性：
RfUROH
Uthi
RUrRUol
UtH2其传输特性如图6所示。
R2R3
显然，改变UR即可改变其阀值，从而改变了传输特性，图6所示是
Ur=0的情况，此时，两个电路的传输特性均以纵轴对称。
L
II
I
ru
2IE1
ilk
草—
q
r
■上
图6传输特性
223稳压管
稳压二极管的工作原理是利用PN结的击穿特性。
稳压二极管反向击穿后的伏安特性是十分陡峭的，也就是说，通过稳压管的电流有很大变化时，其两端电压变化却很小，几乎是恒定的。
利用这种特性可以构成所要求的稳压电路，为限流电阻，用
来限制稳压管中的最大电流。
输入电压或负载发生变化而引起稳压管电流变化时，输出电压即稳压管两端电压几乎为一恒定值。
图7稳压二极管
2.3F/V总电路图设计原理
2.3.1方波和三角波发生电路形式的选择
由集成运放构成的方波和三角波发生器的电路形式比较多，但通常均由滞回比
较器和积分电路组成。
按积分电路的不同，又可分为两种类型：
一类是由普通RC积
分电路和滞回比较器构成，另一类由恒流充放电的积分电路和滞回比较器组成。
常用的三角波和方波发生电路是由集成运放组成的积分器和滞回比较器组成，如
图7所示。
由于采用了由集成运放组成的积分器，电容C始终处在恒流充，放电状态，使三角波和方波的性能大为改善，不仅能得到线性度较理想的三角波，而且也便
图8V/F总电路原理图
TiT2
图9V/F转换波形图
分析图7所示电路可知，方波和三角波的振荡频率相同，其值为
1R3
4RQR2
方波的输出幅度由稳压管Dz决定，方波经积分后得到三角波，因此三角波输
出的幅度为
2.3.2电路元件的选择及参数的确定
（1）集成运算放大器的选择输出
由于方波的前后沿时间与滞回比较器的转换速率有关，当方波频率较（几十千赫兹以上）或对方波前后沿要求较高时，应选择高速集成运算放大器来组成滞回比较器。
（2）稳压管的选择
稳压管的作用是限制和确定方波的幅度。
此外，方波幅度和宽度的对称性也与稳压管的对称性有关。
为了得到稳定而且对称的方波输出，通常选用高精度双向稳压二极管，如2DW7oR3是稳压管的限流电阻，其值根剧所用稳压管的稳压电流来确定。
（3）分压电阻R3和R2阻值的确定
R3和R2的作用是提供一个随输出方波电压而变化的基准电压并由此决定三角波的幅度输出。
所以R3和R2的阻值应根据三角波输出幅度的要求来确定。
例如，已知Vz6v，若要求三角波的峰值为Vomi4v，则
若取R2=10K，则R3=15Ko当要求三角波的幅度可以调节时，R1和R2则可用
电位器来代替。
（4）积分元件及和C参数的确定
R1和C的值应根据方波和三角波发生器的振荡频率fo来确定。
当分压电阻R1和R2的阻值确定后，先选择电容C的值然后确定R,的阻值
对于图7所示电路，为了减小积分飘移，应尽量将电容C取大些。
但是电容
量大的电容漏电也大。
233方波和三角波发生电路的调试方法
方波和三角波发生电路的调试，应使其输出电压幅度和振荡频率坊铝浦足授计要求。
为此，可用示波器测量方波和三角波的频率和幅度。
调整电阻Ri的阻值，可以改变振荡频率fo;
调整电阻R2和R3的阻值，可以改变三角波的输出幅度。
2.4频率/电压转换电路的设计
频率/电压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较器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。
它有通用运放频率/电压频率/电压转换电路和集成频率/电压转换器两种类型。
■■
图9频率/电压转换电路原理框图
2.5功能模块的设计
2.5.1过零比较器
过零比较器的工作原理是将输入信号与0V地电压进比较来判定输出是高电平还是低电平，例如反相输入端输入的过零比较器在输入正弦信号时，在正弦波的正半周时输出为低电平，而在正弦波的负半周时输出为高电平。
这样就把正弦波变成矩形波了，当然它还可以将三角波等波形变换为矩形波。
过零比较器，顾名思义，其阈值电压Ut=0V。
电路如图9（a）所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+Uom或-Uom当输入电压ul<
0V时，Uo=+Uom;
当输入电压ui>
0V时，Uo=-Uom。
因此，电压传输特性如图9（b）所示。
ul>
（a）电路（b）电压传输特性
图10过零比较电路及电压传输特性
2.5.2单稳态触发器
我们知道，因为触发器有两个稳定的状态，即0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1。
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，则暂稳态为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11单稳态触发电路
此电路可
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