线性电压频率转换器

开放实验室项目研究论文

题目：线性电压频率转换器

学院：物理与电子技术学院

专业：电子信息工程

班级序号：

学号：

学生姓名：

指导教师：

2011年12月

线性电压频率转换器

摘要：设计高精度电压转换器，可以利用LM747运算放大器为核心器件的线性电压频率转换器。整个电路主要是由稳定电压源模块、信号输入模块、恒流源模块、输入信号变换模块、滞回电路模块等5个模块组成的。本设计方案温漂小、抗干扰能力强、价格便宜、线性度较好、而且变换精度高。

关键词：LM747；线性；电压频率转换

Abstract: Design precision voltage converter, can use LM324 op-amp 555 timing for the core device with the high precision linear voltage frequency converters. The whole circuit is mainly composed of stable voltage source module, signal input module, constant current source module, input signal transformation module, 555 timing as the core to pressure frequency conversion module, as well as five modules. This design scheme WenPiao small, strong anti-jamming capability, cheap, good linearity and transform high precision. Keywords:LM747; Voltage frequency conversion

第1章引言

电压频率转换器VFC（Voltage Frequency Converter）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。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。

着现代电子技术渐渐的向着大规模的数字集成电路发展，面对大量的连续变化模拟量例如幅度的变化。难以对其直接分析，但可以先将模拟量转换成数字量，再在研究中都对数字信号（0和1）的直接处理分析的方法，这就需要将信号由模拟到数字进行变换。而本设计‘高精度电压转换器’既：电压—频率转换。其过程即实现了由模拟量到数字量的转换。

在进行数模转换过程中，可以应用的芯片很多，如AD0809、AD574A、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。以上都使得此课题非常具有研究价值。

有关电压频率转换的应用：

电压频率转换器在无线电技术中，用作频率调制（FM）；在信号源电路中，用作压控振荡等。

其用在A/D转换器时拥有的独特特点，良好的精度、线性和积分输入特性，常能提供其他类型转换器无法提供的性能和效果。

因为用频率表示的模拟量本身就属于一种串行数据流，所以在大型多通道系统中很容易传输处理，因为频率信号可以使用廉价的数字传输线发送器和接收器通过长线来进行传输，抗干扰能力强，并避免了使用昂贵的模拟多路转换电路。

电压/频率转换器跟双斜率A/D转换器一样，具有真正的积分输入特性。逐次近似A/D

转换器定期进行

“抽样“，因此易受噪声峰值点的影响，而电压频率转换器的输入端一直在进行积分，因此能对噪声或变化的输入信号进行平滑的处理。

2. 设计方案的确定

2.1实现电压频率转换的方法

实现电压/频率的转换的方法很多，电压/频率转换电路实际上是一种振荡电路，它的振荡频率随外加控制电压变化而变化。对它的基本要求是输出频率应与输入控制电压成线性关系，且动态范围要大，加上本设计的要求既高精度。一般我们设计电压频率转换的方法大致分为以下几种：

(1) 通过多谐振荡器实现电压频率转换；

(2) 通过集成化电路实现电压频率的转换。

鉴于我们要求输出频率应与输入控制电压成线性关系，且动态范围要大，加上本设计的要求高精度。所以我们选择第二种方法。

3 系统设计原理及内容

3.3.1 设计思想

电压/频率转换器的输出信号f0与输入电压V的大小成正比，输入控制电压为直流电压。

用输入电压的大小改变电容的充电速度，从而改变振荡电路的振荡频率，故可以采用积分器作为输入电路。积分器的输入信号去控制电压比较器，从电压比较器的输出引脚输出为矩形脉冲信号，从积分器的输出引脚输出为三角波信号，两者频率相同。将输出信号的电平通过回路，反馈到积分器，控制积分电容放电，同时运用二极管的单向导电性，做成电子开关，当积分器的电容放电到一点数值时，开关二极管作用，电源给电容充电。这样就构成了一个电容反复充电、放电的过程，电路震荡产生波形，并且输入电压的大小决定了电容的充放电的速度，从而进行输出波形频率的改变，达到设计目的。

3.3.2 电压/频率转换器原理框图如下，图1、2：

图1 电压/频率变换电路的原理框图

图2 频率/电压变换电路原理图

3.3.3 各模块方案设计

1. 积分器的设计方案

基本设计方案如下方截图3

R1 100kΩR2 100kΩ

R3 20kΩ

U1

UA741CD

3

2

4

7

6

5

1

R4

10kΩ

5nF

图3 积分电路

积分电路是实现波形变换、滤波等信号处理功能的基本电路，它可以将周期性的方波电压变换为三角波电压。

当T 导通时，积分电路的等效电路如图4所示，集成运放A 同相输出端的电位为

图4 积分电路等效电路图

1

14341

3

1u u R R R u p ?=?+= 反相输入端电位11P N u u =。积分电路的输出电压为

()()010*******t u t t u C R u o o +-??

?

??-?-

=

当T 截止时，积分电路的等效电路如图5所示，Up1、Un1不变，仍为3/1u 。积分电路的输出电压为

图5 积分电路等效电路图

()()()()1

1121`211

112112113

2

1311t u t t u C R R t u t t u u C R R u o o o +-?+-=+-??

? ??

-?+-

=

2.比较器的设计方案

电压比较器基本设计方案如下方图6

图6 电压比较器电路图

比较器的输出电压通过反馈网络加到同相输入端，形成正反馈，待比电压V1较加在反相输入端。比较器虽然有闭合环路，但由于该环路引入的是正反馈，电路增益更高，运放依然属于开环工作。在实际运用中，利用迟滞特性可以有效地克服噪声和干扰的影响。例如，在过零检测器中，若是如正弦电压上叠加噪声和干扰，则由于零值附近多次过零，输出就会出现错误阶跃。采用迟滞比较器，只要噪声和干扰的大小在迟滞宽度内，就不会引起错误的阶跃。

A2构成的是反相输入的滞回比较器，其输出电压Uo 决定于由R7和稳压管Dz 组成的限幅电路，输出高电平V U U OH 62=+=，输出低电平V U U OL 62-=-=，阈值电压TH U 为Z W

TH U R R R R U ?++±

=±655

，当Rw 的滑动端在最左端时，V U TH 3±=±；

当滑动端在左右端时，V U TH 4.2±=±。

过零比较器，图7

D2

02BZ2.2

图7 过零比较器电路图

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。

4.低通滤波器

基本设计方案如下方图9

图9 低通滤波器电路图

对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acoustic barriers）、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、

保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving average)所起的作用；低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。

3.3.4总体原理图及PCB图

图一电压频率转换器原理图

图二电压频率转换器PCB图

3.3.5 元器件清单

不同阻值电阻、电容、LM747、12V直流电源。

4.实验数据分析

本次设计所需要达到的目的总结起来主要有三个，第一个是实现电压—频率的转换；第二个是要呈线性状态；第三个是精度要求要高。第一点，比较容易实现，电路装好后，只要前面所讲的起振条件即可。对于第二、三点，通过测得的实验数据分析来看，基本已达到预定要求。为保证实验数据的有效，我们对每组数据均采样10次，数据结果如表4所示。

表4 实验测试数据

图5.4 实验结果曲线

以上所测数据是在温度为25O C时所测得的数据，大家可以从表4或者曲线图5.4上看到，随这输入电压的线性增加，输出频率也是呈线性增加的，这说明了在温度恒定的情况下，输入电压和输出电压之间是呈线性关系的。因为本电路的温漂要求是.0

01

，因此我们还测量了在不同的温度下，输入电压和输出频率的关系，总共/

%

C

测了3组数据如表5所示。（电压单位均为mV,频率单位均为KHZ）

表5 不同温度下的测试结果

完全满足设计要求。

从以上的数据来看，不管时在温度恒定，还是在温度变化的情况下，该电路均能保持高精度、高线性的电压/频率转换。

。5.模拟结果：

a)对振荡器电路做温度特性分析：

如图2.6所示，为振荡器频率于温度关系图。当参考电压VR分别取(0．833V+0ppm ／℃)(B1、C1)和(0．833V+230ppm／℃)(B2、C2)，输入电压取1V和100mV。可以看出，适当选取正温度系数的参考电压VR，可使振荡器在0-70℃的范围内频率温度系数处于100ppm／℃以下。

温度（℃）

频率（k H z ）

20

40

60

80

100

482

484

486488490492

494

496

温度（℃）

频率（k H z ）

2040

60

80100

48.4

48.5

48.6

48.749.0

48.948.849.149.2

49.3

图2.6 振荡器频率与温度关系图

模拟结果显示：设计的电压频率转换器具有小于0．1％线性度，动态范围大于80dB ，频率温度漂移小于100ppm/K 。

总结

通过这次的课程设计，加强了我的动手能力，提高了我的运用知识解决问题的能力。在本次课程设计中我做的题目是：电压/频率转换电路的设计。在整个方案设计中，我运用了模拟电子的相关知识，包括：积分器、迟滞比较器等模块电路。在选择元件方面，我使用了两个NJM系列的集成芯片、稳压管以及具有单向导通性的晶体二极管，从中我学到了挑选元件的方法和元件的合理构架等书本上没有的知识。

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。没有知识是从天而降的，没有获得不需要付出。是的，我这学期学习了《电子线路（线性部分）》的知识，但是知识繁多，在课堂上不能一一弄懂、弄精，这一次的课程设计给了我机会，让我更加深刻的对模电知识有了深刻的学习和认识。在我拿到题目时，当时我觉得这题目很简单，没有什么大不了的，不就是一个电压/频率的转换器带电路嘛，还能难住我？但在这两个星期的设计过程中，我面红耳赤，惭愧的无地自容，刚开始我连积分器如何使用，如何与比较器进行耦合构成压控振荡器的这样的知识都不了解！

再后来我静下心来决定好好的学习学习，亡羊补牢，为时不晚啊。我去了图书馆进行资料的查阅，整整一天什么事都没有做就在图书馆四楼理工阅览室查阅资料。随着我研究、思考的深入，对不明白的原理和方法渐渐的弄清楚之后，我开始了电路图的设计，心理不免有点小小的成就感。可在设计的过程中有出现了新的问题：能够设计出无源的方波振荡器，可就是如何加入电源，使之成为一个压控振荡器呢！我又一次的进入了迷茫之中……

继续图书馆查阅资料，随着思考的越来越深入，突然在一天午觉时，终于有了顿悟：对，做一个开关，导通时电容放电，不导通时，电容充电，而电容的充电速度的快慢将直接控制输出方波的频率的改变，同时电容的充电速度直接由外接电源来解决！想到这里，我的整个设计思路和框图已经完全出来，万事具备就欠东风啦！我无比的兴奋、激动，为我自己感到高兴，成就感油然而生……

接下来就进入了电路图的绘制阶段，值得庆幸的是在这次课程设计之前，我就已经学会了使用电子绘图和仿真软件multisim。在绘图和仿真阶段，进行的相当的顺利，对电阻和电容数值的调试也是很顺利的。

设计过程如一条蜿蜒曲折的小径，你永远不知道下一个拐弯后有什么等待这你。这一次的课程设计的全过程，让我体会到的是设计的艰辛，但更多的是在设计过程中发现问题、解决问题的喜悦，我开始越来越喜欢上电子设计了。