电压频率转换电路
三.电压—频率转换电路实验报告——MultiSim仿真
电压/频率转换电路一、设计任务与要求①将输入的直流电压转换成与之对应的频率信号。
二、方案设计与论证电压-频率转换电路（VFC）的功能是将输入直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压，故也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。
通常，它的输出是矩形波。
方案一、电荷平衡式电路：如图所示为电荷平衡式电压-频率转换电路的原理框图。
电路组成：积分器和滞回比较器，S为电子开关，受输出电压uO的控制。
设uI<0，；uO的高电平为UOH，uO的低电平为UOL；当uO=UOH时，S闭合，当uO=UOL时，S断开。
当uO=UOL时，S断开，积分器对输入电流iI积分，且iI=uI/R，uO1随时间逐渐上升；当增大到一定数值时，从UOL跃变为UOH，使S闭合，积分器对恒流源电流I与iI的差值积分，且I与iI的差值近似为I，uO1随时间下降；因为，所以uO1下降速度远大于其上升速度；当uO1减小到一定数值时，uO从UOH跃变为UOL回到初态，电路重复上述过程，产生自激振荡，波形如图(b)所示。
由于T1>>T2，振荡周期T≈T1。
uI数值愈大，T1愈小，振荡频率f愈高，因此实现了电压-频率转换，或者说实现了压控振荡。
电荷平衡式电路：电流源I对电容C在很短时间内放电的电荷量等于iI在较长时间内充电的电荷量。
方案二、复位式电路：电路组成：复位式电压-频率转换电路的原理框图如图所示，电路由积分器和单限比较器组成，S为模拟电路开关，可由三极管或场效应管组成。
工作原理：设输出电压uO为高电平UOH时S断开，uO为低电平UOL时S闭合。
当电源接通后，由于电容C上电压为零，即uO1=0，使uO=UOH，S断开，积分器对uI积分，uO1逐渐减小；一旦uO1过基准电压UREF，uO将从UOH跃变为UOL，导致S闭合，使C迅速放电至零，即uO1=0，从而uO将从UOL跃变为UOH，；S又断开，重复上述过程，电路产生自激振荡，波形如图（b）所示。
VF FV
第一阶段：当加入ui,由于ui>u0,输入不娇气输出高电平->S=1->Q=1
->VT1管饱和导通->u0=0;与此同时，Q=1->电流源开关S闭合->精密电流 源输出电流Is对Cl充电->u6逐渐上升;Q=1->VT2管截止->电源E经Rt向Ct
TTL逻辑电平输入F/V转换电路图
AD650的典型应用
在对现场信号检测中，经常遇到信号隔离传送问题，尤其是单片机测 试系统，采用V/F,F/V转换技术可以方便地实现模拟信号的隔离传送
模拟信号隔离传送
通过V/F,光耦合，F/V转换，实现了信号隔离， 保证了单片机系统的安全
在智能化仪表中的应用
在智能化仪表中,使用AD650V/ F 转换器作为零点 自动校正 , 不仅能 提供仪器的测量精度 , 而且能够大大简 化硬件设备 , 因为 A D 650 只有 一根线与单片微型计算机相连 。 现 以某一智能仪表为例 , 说 明芯片 的 应用 。由 A D 6 5 0 芯片和 单片微型 计算机组成 的零点 自动 校正线路 如 下图 所示：
电压转换频率：
利用物理量通过传感器转换成电信号，经预处理变换为合 适的电压信号，然后去控制压控震荡器电路，再用压控震 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。总的流程如下图所示：
两种电路[2]：
方案一：电荷平衡式压控电路器（锯齿波发生电路演变为电压-频率转 换电路） 如图一所示，由积分器和滞回比较器组成，S为电子开光， 受输出电压U0控制。
积分 电阻 Rint 选择：
积分电阻 Rint 的 的值是按照输入满度电压时所需要的输入电流来 计算。为 了保证满度对输出信号的占空比为25% ,一般取满度时的输人电 流为0. 25mA,则 积分电阻 Rint 为
信号转换电路IV-频率电压转换电路资料
（2）ui >0，uC负向增加， uC≤U2时，比较器输出uo由负向限幅电压突变为正向限
幅电压，V导通，电容C通过R3放电，积分器输出迅速回升。 uo通过正反馈电路使比 较器同相端电压up突变为U1。
（3）当积分器输出回升到uC≥U1时，比较器输出又由正向限幅电压突变为负向限幅 电压，V又处于截止状态，同时up恢复为U2，积分器重新开始积分。
约 10mV t
t
2020/9/24
u单i >稳u态6，定输时入器比输较出器端输Q出为高高电电平平，，
V精导密通电，流u源o=输Uo出L≈电0V流，is开对关CLS充闭电合，，
u内电6逐放，渐电Ct电上管压升截上。止升与，。引电脚源5U相经连Rt的对芯Ct充片
u时s=器u输Ct出≥2端UQ/3为时低，电单平稳，态V定截 止， uo = UoH = +E，电流 开关S断开， CL通过RL放电， 使u6下降。 Ct通过芯片内放 电管快速放电到零。 当冲周u6期≤，ui时如，此又循开环始，第输二出个端脉便 输出脉冲信号。
8
集成V/F转换器——LM131
+U 8
1 整个周期内，RL 在消耗电荷 2 恒流源提供电荷 （充电）的时间由 CL 单稳触发器的暂态 决定 3 电荷平衡（电源 提供的电荷量等于 电阻消耗的电荷量）
精密 电流源
电流 输出 1
电流 开关
RL
2
基准
电压
1.9V
- 基准 比较
+器
iS
uo
频率 3 驱动 V RS 输出
5
二、电荷平衡型
在一个周期T=t0+t1中，积分电容 充电电荷量与放电的电荷量相等，
即i×T= Is×t0
vf转换
4. 电压一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。
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。
模拟电路之电压频率转换
模拟电路课程设计报告设计课题：电压频率转换专业班级：09电气技术教育学生姓名：易群学号：090805031指导教师：曾祥华设计时间：2011/1/10（以上小二号、行距40磅）电压频率转换一、设计任务与要求1．将输入的直流电压（10组以上正电压）转换成与之对应的频率信号。
2．用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。
（提示：用锯齿波的频率与滞回比较器的电压存在一一对应关系，从而得到不同的频率.）二、方案设计与论证(一)电源部分单相电压经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。
直流电源的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压，变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，再通过低通滤波电路滤波，减小电压的脉动，使输出电压平滑，但由于电网电压波动或负载变化时，其平均值也将随之变化，则在滤波电路后接个稳压电路，使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载变化的影响，从而获得足够高的稳定性。
在此次设计中则用220v、50Hz的交流电通过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路利用桥式整流电路实现正、负12V直流电压。
方框图如下：原理：图 10.1.1 直流稳压电源的方框图电网电压直流稳压电源通过变压器、整流、滤波、稳压来实现。
1）通过电源变压器降压后，再对220V 、50Hz 的交流电压进行处理，变压器副边电压有效值决定于后面电路的输出电压。
2)变压器副边电压通过整流电路将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，一般整流电路用单相半波整流和单相桥式整流，但单相半波电路仅试用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合，所以此次采用单相桥式整流电路。
3）经过整流电路的电压仍含有交流分量，再为了减小电压的脉动，则接一滤波电路，输出电压平稳。
图如下：4）交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流成分较小的直流电压，但是当电网波动或者负载变化时，它的值也会变动，则通过稳压电路使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载变化的影响，从而得到更好的稳定行。
频率转电压电路
频率转电压电路频率转电压电路是一种将输入信号的频率转换为相应输出电压的电路。
它被广泛应用于信号处理、传感器测量、通信系统等领域。
本文将介绍频率转电压电路的工作原理、应用以及一些常见的设计方法。
一、工作原理频率转电压电路的工作原理基于频率-电压转换的原理。
当输入信号的频率改变时，电路会相应地产生不同的输出电压。
这种转换通常通过频率-电压转换器来实现，其中包括一个比较器、一个积分器和一个反馈网络。
在频率转电压电路中，输入信号首先经过一个比较器。
比较器将输入信号与一个固定的参考信号进行比较，产生一个脉冲宽度与输入信号频率成正比的方波信号。
然后，这个方波信号经过一个积分器，将其转换为一个与输入信号频率成正比的直流电压。
最后，通过一个反馈网络将这个直流电压反馈给比较器，以调整比较器的阈值，使输出电压与输入信号频率成正比。
二、应用领域频率转电压电路在许多领域都有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1. 传感器测量：频率转电压电路常用于将传感器输出的频率信号转换为与被测量物理量成正比的电压信号。
例如，将旋转速度传感器输出的旋转频率转换为与转速成正比的电压信号。
2. 信号处理：频率转电压电路在信号处理中起到了重要的作用。
例如，将音频信号转换为与音调成正比的电压信号，用于音乐合成或音频分析。
3. 通信系统：频率转电压电路在通信系统中常用于频率解调。
例如，将调频广播信号转换为与声音频率成正比的电压信号，以恢复原始音频。
4. 自动控制：频率转电压电路可以用于自动控制系统中的反馈环路。
通过将频率转换为电压信号，并与设定值进行比较，可以实现对被控对象的控制。
三、设计方法设计频率转电压电路时，需要考虑以下几个关键因素：1. 参考信号：选择适当的参考信号对于电路的性能至关重要。
参考信号的频率应覆盖所需转换的频率范围，并且应稳定且准确。
2. 反馈网络：反馈网络用于将转换后的直流电压反馈给比较器，以调整比较器的阈值。
反馈网络的设计应根据具体的应用需求进行。
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电压/频率转换电路一、设计任务与要求①将输入的直流电压转换成与之对应的频率信号。
二、方案设计与论证电压-频率转换电路（VFC）的功能是将输入直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压，故也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。
通常，它的输出是矩形波。
方案一、电荷平衡式电路：如图所示为电荷平衡式电压-频率转换电路的原理框图。
电路组成：积分器和滞回比较器，S为电子开关，受输出电压uO的控制。
设uI<0，； uO的高电平为UOH，uO的低电平为UOL； 当uO=UOH时，S闭合，当uO=UOL时，S断开。
当uO=UOL时，S断开，积分器对输入电流iI积分，且iI=uI/R，uO1随时间逐渐上升；当增大到一定数值时，从UOL跃变为UOH，使S闭合，积分器对恒流源电流I与iI的差值积分，且I与iI的差值近似为I，uO1随时间下降；因为，所以uO1下降速度远大于其上升速度；当uO1减小到一定数值时，uO从UOH跃变为UOL回到初态，电路重复上述过程，产生自激振荡，波形如图(b)所示。
由于T1>>T2，振荡周期T≈T1。
uI数值愈大，T1愈小，振荡频率f愈高，因此实现了电压-频率转换，或者说实现了压控振荡。
电荷平衡式电路：电流源I对电容C在很短时间内放电的电荷量等于iI在较长时间内充电的电荷量。
方案二、复位式电路：电路组成： 复位式电压-频率转换电路的原理框图如图所示，电路由积分器和单限比较器组成，S为模拟电路开关，可由三极管或场效应管组成。
工作原理： 设输出电压uO为高电平UOH时S断开，uO为低电平UOL时S闭合。
当电源接通后，由于电容C上电压为零，即uO1=0，使uO=UOH，S断开，积分器对uI积分，uO1逐渐减小；一旦uO1过基准电压UREF，uO将从UOH跃变为UOL，导致S闭合，使C迅速放电至零，即uO1=0，从而uO将从UOL跃变为UOH，；S 又断开，重复上述过程，电路产生自激振荡，波形如图（b）所示。
模电课程设计(电压频率转换电路)
电压—频率转换电路设计课题：电压—频率转换电路专业班级：学生：学号：指导教师：设计时间：题目电压—频率转换电路一、设计任务与要求1．将输入的直流电压（10组以上正电压）转换成与之对应的频率信号。
2．用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。
（提示：用锯齿波的频率与滞回比较器的电压存在一一对应关系，从而得到不同的频率.）二、方案设计与论证用集成运放构成的电压—频率转换电路，将直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压，其输出为矩形波。
方案一、采用电荷平衡式电路输入电压→积分器→滞回比较器→输入原理图：方案二、采用复位式电路输入电压→积分器→单限比较器→输出 原理图：通过对两种转换电路进行比较分析，我选择方案一来实现电压—频率的转换。
方案一的电路图简单，操作起来更容易，器件少，价钱也更便宜，且方案一的线性误差小，精度高，实验结果更准确，所以我选择方案一。
三、单元电路设计与参数计算1、电源部分：图1 电源原理图单相交流电经过电源变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。
直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。
变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉冲电压。
为了减少电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。
交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。
稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载变化的影响，从而获得足够高的稳定性。
取值为：变压器：规格220V~15V 整流芯片：LM7812、LM7912整流用的二极管：1N4007 电解电容：C1、C2：3300ufC4、C3：0.22uf C6、C5：0.47ufC7、C8：220uf 发光二极管上的R：1KΩ2、电压—频率转换部分：○1积分器：图2—1 积分运算电路在电路中，由于集成运放的同相输入端通过R3接地，0==u u N P ，为“虚地”。
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2 电压/频率转换电路
电压/频率转换即V/F 转换，是将一定的输入电压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。
针对煤矿的特殊要求，我们只分析如何将电压转换成200～1000Hz的频率信号。
实现V/F 转换有很多的集成芯片可以利用，其中LM331是一款性能价格比较高的芯片，由美国NS公司生产，是一种目前十分常用的电压/频率转换器，还可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。
由于LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。
LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01% ，工作频率低到1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。
LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0～40V 之间，输出可高达40V，而且可以防止Vs短路。
图2是由LM331组成的典型的电压/频率变换器。
其输出频率与电路参数的关系为：
Fout= Vin·Rs/(2.09·R1·Rt·Ct)
可见，在参数Rs、R1、Rt、Ct确定后，输出脉冲频率Fout与输入电压Vin成正比，从而实现了电压-频率的线性变换。
改变式中Rs的值，可调节电路的转换增益，即V和F之间的线性比例关系。
将1～5V 的电压转换成200～1000Hz的频率信号，电路参数理论值为R =18kΩ，Ct=0.022uF，R1=100kΩ，Rs=16.5528kΩ，由于元器件与标称值存在误差，在
电路参数基本确定后，通过调节Rs的电位器，可以实现所需V/F线性变换。
由Fout= Vin·Rs/(2.09·R1·Rt·Ct)可知，电阻Rs、R1、Rt和电容Ct直接影响转换结果Fout，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择，其中Rt、Ct、Rs、R1要选用低温漂的稳定元件，Cin可根据需要选择0.1uF 或1uF 。
电容C1对转换结果虽然没有直接的影响，但应选择漏电流小的电容器。
电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。
电路中的47Ω 电阻对确保电路线性失真度小于0.03% 是十分必须的。
图2电路是将1～5V 的电压转换成200～1000Hz的频率信号的典型电路及参数，要实现将4～20mA或0～5V转换成200～1000Hz的频率信号只要增加一些辅助电路即可实现，其他转换也依此类推。
3 结语
以上介绍的两个转换电路所需费用低，且结构简单，调试方便，非常易于实现，并且经过我们的矿用监测设备多次的实际现场应用，其对于国内一般的煤矿安全监测系统的接入信号的要求都能够很好地满足应用。
随着电子技术和计算机技术的迅速进步，工业自动化得到了快速发展，而在工业控制领域，检测传感器件起着越来越重要的作用，各种先进的传感器正在大量应用。
但是很多传感器只提供4～20mA或者0～5V的直流模拟信号输出，而我国煤矿使用的煤矿安全监测系统大部分只允许接入1～5mA或者200～1000Hz的模拟信号，所以在一般工业现场使用的传感器要实现在煤矿的应用，除了考虑防爆因素外，还必须进行输出模拟信号的转换。
这种输出信号的转换如果购买专用的转换设备，不仅价格高，使用也不是很方便。
实际上自己设计制作一些转换电路也可以方便的实现所需性能，下面就介绍两种实用的电压/电流、电压/频率转换电路的设计和原理。
1 电压/电流转换电路
电压/电流转换即V/I转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。
V/I转换原理如图1。
由图1可见，电路主要元件为一运算放大器LM324和三极管BG9013及其他辅助元件构成，V0为偏置电压，Vin为输入电压即待转换电压，R 为负载电阻。
其中运算放大器起比较器作用，将正相端电压输入信号与反相端电压V-进行比较，经运算放大器放大后再经三极管放大，BG9013的射级电流Ie作用在电位器Rw上，由运放性质可知：
V-= Ie·Rw= (1+ k)Ib·Rw
(k为BG9013的放大倍数)
流经负荷R 的电流Io即BG9013的集电极电流等于k·Ib。
令R1=R2，则有
V0+Vm= V+= V-= (1+k)Ib·Rw= (1+1/k)Io·Rw
其中k》1，所以Io≈ (Vo+Vin)/Rw。
由上述分析可见，输出电流Io的大小在偏置电压和反馈电阻Rw为定值时，与输入电压Vin成正比，而与负载电阻R 的大小无关，说明了电路良好的恒流性能。
改变V0的大小，
可在Vin=0时改变Io的输出。
在V0一定时改变Rw的大小，可以改变Vin与Io的比例关系。
由Io≈(V0+Vi)/Rw 关系式也可以看出，当确定了Vin 和Io之间的比例关系后，即可方便地确定偏置电压V0和反馈电阻Rw。
例如将0～5V 电压转换成0～5mA的电流信号，可令V0=0，Rw=1kΩ，其中Vo=0相当于将其直接接地。
若将0～5V电压信号转换成1～5mA电流信号，则可确定V0=1.25V，Rw=1.25kΩ。
同样若将4～20mA 电流信号转换成1～5mA电流信号，只需先将4～20mA转换成电压即可按上述关系确定V0和Rw的参数大小，其他转换可依次类推。
为了使输入输出获得良好的线性对应关系，要特别注意元器件的选择，如输入电阻R1、R2及反馈电阻Rw，要选用低温漂的精密电阻或精密电位器，元件要经过精确测量后再焊接，并经过仔细调试以获得最佳的性能。
我们在多次实际应用中测试，上述转换电路的最大非线性失真一般小于0.03% ，转换精度符合要求。