电压一频率变换电路
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电压—频率变换电路
电压一频率变换电路(VFC)能把输入信号电压变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,故又称之为电压控制振荡器(VCO)。VFC广泛地应用于调
频、调相、模/数变换(A/D)、数字电压表、数据测量仪器及远距离遥测遥控设备中。由通
用模拟集成电路组成的VFC电路,尤其是专用模拟集成V /F转换器,其性能稳定、灵敏度
高、非线性误差小。
VFC电路通常主要由积分器、电压比较器、自动复位开关电路等三部分组成。各种类型
VFC电路的主要区别在于复位方法及复位时间不同而已。下面将讨论由运放构成的各种VFC
电路和典型的模拟集成V /F转换器。
4.1运放构成的VFC电路
4.1.1简单的VFC电路
图4.1.1所示为简单的VFC电路。
图4.1.1 简单的VFC电路
从图4.1.1可知,当外输入信号vi=0时,电路为方波发生器。振荡频率fo为
当时,运放同相输入端的基准电压由vi和反馈电压Fvvo决定。如vi>0,
则输出脉冲的频率降低,f<fo ;如vi<0,则输出脉冲的频率升高,f>fo。可见,输出信
号频率随输入信号电压vi变化,实现V/F变换。
4.1.2复位型VFC电路
复位型VFC电路采用各种不同形式的模拟电子开关对VFC电路中的积分器进行复位。
(1)场效应管开关复位型VFC电路
图4.1.3所示为场效应管开关复位型VFC电路及其波形。
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图4.1.3 场效应管开关复位型VFC电路及其波形
由图可知,接通电源后,由于比较器A2的反相输入端仅受VB (VB>0)的作用,其输出
端处于负向饱和状态vo2=vo2L(<0=,复位开关管T1栅极电位被箝位在数值很大的负电
平上而截止,输出管T2截止,输出电压vo=VoL(< 0),VFC电路处于等待状态。
当输入正的信号vi后,反相积分器A1输出端电压Vol从零开始向负方向线性增加,当
Vol的幅值| Vol | 略大于VB(注意R2=R4)时,A2输出状态翻转,从负向饱和状态跳变到
正向饱和状态,Vo2=vo2H(>0,T2饱和导通,Vo=VoH(>0),二极管D截止,Tl因栅极
开路而导,C1通过Tl快速放电,|Vol| 决速下降,A2的输出状态很快又翻转,vo2 =Vo2L ,
T2截止,Vo=VOL,T1截止,vi又通过Al对Cl充电, vol又从接近零值开始向负方向线性
增加,重复上述工作过程,因而输出端输出频率与输入信号vi的幅度大小有关的脉冲串。
当vi增大时,vo1向负方向增加的速度加快,A2输出端从负向饱和跳变到正向饱和状态的
时间提前,脉冲串频率升高;当Vi减小时,则相反,脉冲串频率降低。
(2)双极型管开关复位型VFC电路
图4.1.4所示为双极型三极管开关复位型VFC电路及其波形。
图4.1.4 双极型三极管开关复位型VFC电路及其波形
由图可知,当接通电源,且输入信号vi=0时,由于比较器A2反相输入端电位(VD1> 0)
高于同相输入端电位(≤0),A:输出端处于负向饱和状态,Vo=VoL(<0)。同时,开关管T
截止,积分器A1输出电压Vol=0。VFC电路处于等待状态。
当输入负的信号vi时, vi 经 Al向Cl充电,vol正方向线性增加,当Vol上升到比较器
A2的上门限电压 时,A2输出状态翻转,从负向饱和状态跳变到正向饱和状态,vo=VoH(>
0)。此时,开关管T基极获正偏电压而饱和导通。积分电容Cl通过T快速放电,vol快速下
降。当vol降到A2的下门限电压 时,A2输出又跳变为负向饱和状态,Vo=VoL。
4.1.3反馈型VFC电路
图4.1.5所示为反馈型VFC电路及其波形。
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图4.1.5 反馈型VFC电路及其波形
由图4.1.5可知,它由积分器A1、比较器A2及开关管T组成。开关管不再与积分电容
C1并联,而是接在运放A1的反相输入端与地之间。
当接通电源,且vi=0时,由于VR(< 0)的影响,使A2输出处于负向饱和状态,vo2=Vo2L(<
0) ,开关管T截止,输出电压vo为低电平VoL。
4.1.4恒流源复位型VFC电路
图4.1.6所示为恒流源复位型VFC电路。
图4.1.6 恒流源复位型VFC电路
所谓恒流源复位,是指在积分电容C放电时,由复位电路产生的电流能使C在短时间
内放电的电荷量与较长时间充电所得的电荷量相等,提高VFC的精度,这种电路又称电荷平
衡型。如图所示电路,当vi为-1 mV~-10 V范围变化时,输出脉冲频率范围为1 Hz~10 kHz,
非线性失真误差低于0.02%,总精度可达0.04%。输出信号的频率与输入信号幅度值成线性
正比例关系。
4.2集成化VFC电路
模拟集成V/F, F/V转换器,具有精度高、线性度高、温度系数低、功耗低、动态范围宽
等一系列优点,目前已广泛地应用于数据采集、自动控制和数字化及智能化测量仪器中。集
成V/F、F/V转换器大多采用恒流源复位型VFC电路作基本电路。
4.2.1 LM131系列
LM131系列V /F与F/V转换器,包括LM131/LM131A, LM231/LM231A和LM331/LM331A
几种型号,是电荷平衡型转换器。其工作频率可达到100 kHz;最大线性度,工作频率f=
10
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kHz时为0.01%,f=100 kHz时为0. 014%(外增设运放OP);低功耗,Vcc = 5 V时为15 mW;
输出脉冲电平可与TTL、CMOS电路兼容。
图4.2.4所示为LM331和运放A (tcA741)构成的精密V /F转换电路。
图4.2.4 LM331 V/F转换电路
电路中,LM331的阀值电压端加上比较电平Vth6= Vcc/2=7.5V,7脚输入的比较电压由
外输入信号vi经运放A及Ri、Cf构成的反相积分器产生。当积分器输出电压v7≥v6 =Vth6
时,芯片内单稳态定时电路中的R-S触发器置位,,电流开关SW把
镜象电流源is接通1脚流出,对Cf反方向充电,使积分输出电压下降,v7<Vth6 ,芯片内
单稳态定时电路中的放大管T截止,+Vcc经Rt对Ct充电,vct上升,当
时,R-S触发器复位,
把is短接到地,放电管T导通,Ct通过T快速放电,
电,积分器输出电压正向线性增加,v7上升。当
环往复,在输出端3脚产生一个频率为fo的脉冲波。
图4.2.5所示为LM331和运放A构成的精密FVC电路。电路中,运放A作缓冲级,并构
成二阶有源滤波器,当工作频率f>1 kHz时,纹波电压峰值小于5 mV,而且响应速度快。 ,电流开关SW又对Cf正向充时,R-S触发器又置位。如此循
图4.2.5 LM331精密FVC电路
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图4.2.6所示为LM331与单片微处理器构成的数字化测量仪中的数据处理及显示电路。
图4.2.6 LM331数据处理及显示电路
由图可知,多路模拟开关4052、程控放大器OP及低通滤波器Ri , Ci,对传感器产生0~
5 V的模拟输入信号进行预处理。4052的八个通道,其中四个通道用于信号输入选通,而其
中一个通道接地,另三个通道连接在一起,可以在程序控制下,实现测量时的自动去零及量
程的自动转换,如三个通道分别接不同传感器产生的模拟信号,则可以实现多信号检测;八
个通道中的另外四个通道与运放OP配合构成程控增益放大器,对小输入信号预放大。阻容
滤波器RLCL用于滤除微小的尖峰脉冲。LM331实现模拟输入信号电压转换成频率变化的信
号。微处理器部分由单片微处理器CPU 8031、程序存贮器2732、可编程接口8155及缓冲器
和显示器等组成。
电路中,采用计数法来测量LM331输出的频率信号。8031芯片内的两个定时/计数器
To和T1,置To为计数方式1,T1为定时方式1,定时时间为100 ms,溢出十次可获得1秒
的定时,此刻T。的计数值即为LM331输出的频率值。微处理器把双字节二进制的计数又转
换成5位BCD码,以便译码显示出待测的输入电压数值。
本系统的软件应包括测频,V/F转换非线性补偿、数据的转换及显示等模块。
4.2.2 AD650
AD650是单片集成电荷平衡型V /F及F/V转换器。其工作频率f可达到1 MHz,具有输
出连续跟踪输入、线性好的特点。最大线性度,f=10 kHz时为0.002%,f=100 kHz时为0.005%,
f=1 MHz时为0.07%。输入失调可调整至零,输出可与CMOS和TTL电平兼容。 图4.2.9所示为各类型输入电压时的AD650 VFC电路。三个电路中的AD650芯片,除2~
4脚外,其余各引脚外围电路接法完全相同。其中,图(a)为单极性正输入电压电路,与图
2-4-14原理电路一样,正输入电压经积分电阻加到积分运放A1的反相输入端3脚,A1的同
相输入端2脚接模拟地,由信号源提供积分电流来驱动AD650 0双极性失调电流调整端4
脚不用,悬空。图(b)为单极性负输入电压电路,负输入电压加到积分器A1同相输入端,因
A1两输入端“虚短”,故积分电流是通过R1、R3从模拟地(信号源正极)取出。4端不用,
悬空。电路工作原理与图(a)基本相同,外围元件参数选择原则亦相同。图(c )为双极性(士
5V)输入电压电路。双极性输入电压经积分电阻加到A1的反相输入端,同相输入端2
脚接
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10 kΩ电阻到模拟地。4脚外接1. 24 kΩ的电阻到负电源端5脚,可得到标称值为0. 5 mA (10%)的偏移电流源,使2脚得到
3脚电压的偏移电压。因A1两输入端“虚短”,即,所以当输入信号时,积分电流
。电路工作原理与图2-4-14所
示原理电路相同。
图4.2.9 各类型输入电压时的AD650 VFC电路
图4.2.10所示为AD650 FVC电路。
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图4.2.10 AD650 FVC电路
负极性频率信号经微分网络Cd和Rd后从比较器A2的反相输入端9脚输入,当负脉冲到,其前沿产生负向尖脉冲,使vo<Vth=一0. 6 V ,比较器输出变高电平,触发单稳态电路进入暂稳定状态,输出高电平,使电流开关SW与积分器A1的反相输入端相接,恒流源is置入A1的反相输入端,对积分电容CINT充电,同时有漏电流流经R1和R3,积分输出电压vo线性上升,单稳态电路结束暂稳定状态,回到稳定状态后,CINT对R1、R3慢放电。下一个负脉冲到,电路又重复上述过程。
可见,输出电压vo的平均值与输入负脉冲的频率成正比,实现频率一电压转换功能。
本文摘自: 大学生电子设计联盟() 详细出处请参考:/forum.php?mod=viewthread&tid=16604&fromuid=1
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