线性电压频率转换器

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5 不同温度下的测试结果
TA=10OC
TA=30OC
TA=50OC
输入电压
输出频率
输入电压
输出频率
输入电压
输出频率
2
0.11
1.99
0.10
2.02
0.11
19.98
0.9
19.88
0.82
20.1
0.82
40.1
2.08
41.1
2.16
39.97
2.16
60.08
3.03
60.28
3.18
60.08
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。
Keywords:LM747; Voltage frequency conversion
第
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。
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.
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：
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。
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。
2.95
80.3
4.09
80.13
4.09
80.7
3.86
100.02
4.77
100.02
4.92
100.32
4.77
121.12
6.07
121.12
6.07
121.02
6.07
140.5
7.17
140.7
7.09
140.0
6.86
160
7.98
160.2
8.06
159.91
7.91
181
9.08
182
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。
图2.6振荡器频率与温度关系图
200.01mV
10KHZ
图5.4 实验结果曲线
以上所测数据是在温度为25OC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 ，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）
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
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
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。
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。
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 ，输出低电平 ，阈值电压 为 ，当Rw的滑动端在最左端时， ；当滑动端在左右端时， 。
过零比较器，图7
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。
b)对电压频率转换器的线性度和动态范围的仿真分析：
如图2.7显见从0．1mV变化到1V，振荡器频率线性增加。由图2.8可知线性误差小于0．1％，动态范围＞80dB。
图2.7 输入电压与振荡器频率关系 图2.8 振荡器非线性误差
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。
图4 积分电路等效电路图
反相输入端电位 。积分电路的输出电压为
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 。积分电路的输出电压为
图5积分电路等效电路图
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。
8.93
180.1
8.78
200.01
10
200.00
10.08
199.89
9.93
从上面的表可以看出来，随着温度的上升，其输出端的频率变化并不明显，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：
(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