線性電壓頻率轉(zhuǎn)換器

1、開放實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目研究論文題 目：線性電壓頻率轉(zhuǎn)換器學(xué) 院：物理與電子技術(shù)學(xué)院專 業(yè)：電子信息工程班級(jí)序號(hào)：學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2011年12月線性電壓頻率轉(zhuǎn)換器摘要：設(shè)計(jì)高精度電壓轉(zhuǎn)換器，可以利用LM747運(yùn)算放大器為核心器件的線性電壓頻率轉(zhuǎn)換器。整個(gè)電路主要是由穩(wěn)定電壓源模塊、信號(hào)輸入模塊、恒流源模塊、輸入信號(hào)變換模塊、滯回電路模塊等5個(gè)模塊組成的。本設(shè)計(jì)方案溫漂小、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格便宜、線性度較好、而且變換精度高。關(guān)鍵詞：LM747；線性；電壓頻率轉(zhuǎn)換Abstract: Design precision voltage converter, can use LM324 op-

2、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

3、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 言電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC（Voltage Frequency Converter）是一種實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件，將模擬電壓量變換為脈沖信號(hào)，該輸出脈沖信號(hào)的頻率與輸入電壓的大小

4、成正比。電壓頻率轉(zhuǎn)換器也稱為電壓控制振蕩電路（VCO），簡(jiǎn)稱壓控振蕩電路。隨電壓頻率轉(zhuǎn)換實(shí)際上是一種模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。當(dāng)模擬信號(hào)（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出是一串頻率正比于模擬信號(hào)幅值的矩形波，顯然數(shù)據(jù)是串行的。這與目前通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行輸出不同，然而其分辨率卻可以很高。串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換在數(shù)字控制系統(tǒng)中很有用，它可以把模擬量誤差信號(hào)變成與之成正比的脈沖信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)式伺服機(jī)構(gòu)用來精密控制。著現(xiàn)代電子技術(shù)漸漸的向著大規(guī)模的數(shù)字集成電路發(fā)展，面對(duì)大量的連續(xù)變化模擬量例如幅度的變化。難以對(duì)其直接分析，但可以先將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再在研究中都對(duì)數(shù)字信號(hào)（0和1）的直

5、接處理分析的方法，這就需要將信號(hào)由模擬到數(shù)字進(jìn)行變換。而本設(shè)計(jì)高精度電壓轉(zhuǎn)換器既：電壓頻率轉(zhuǎn)換。其過程即實(shí)現(xiàn)了由模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換過程中，可以應(yīng)用的芯片很多，如AD0809、AD574A、LM331等都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。但人們發(fā)現(xiàn)芯片一般輸出都是并行輸出（獨(dú)立、同時(shí)、同步），但一般的電路對(duì)信號(hào)的處理都是串行的。但運(yùn)用電壓轉(zhuǎn)換為頻率就解決了數(shù)模的轉(zhuǎn)換，同時(shí)又可以輸出串行信號(hào)，幾乎完全可以替代AD芯片的作用。另外相對(duì)于電壓，一個(gè)信號(hào)的頻率更為穩(wěn)定。大家發(fā)現(xiàn)通過講電壓先轉(zhuǎn)換為頻率，再測(cè)量其頻率值，從而即可得到電壓的幅度值。所以在測(cè)量中不管信號(hào)的幅度值有多大，都可以只考慮其轉(zhuǎn)換后所得

6、到的較之更為穩(wěn)定的頻率來代替直接對(duì)信號(hào)的分析，這樣得到的結(jié)果精度會(huì)更高。以上都使得此課題非常具有研究?jī)r(jià)值。有關(guān)電壓頻率轉(zhuǎn)換的應(yīng)用：電壓頻率轉(zhuǎn)換器在無線電技術(shù)中，用作頻率調(diào)制（FM）；在信號(hào)源電路中，用作壓控振蕩等。其用在A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)擁有的獨(dú)特特點(diǎn)，良好的精度、線性和積分輸入特性，常能提供其他類型轉(zhuǎn)換器無法提供的性能和效果。因?yàn)橛妙l率表示的模擬量本身就屬于一種串行數(shù)據(jù)流，所以在大型多通道系統(tǒng)中很容易傳輸處理，因?yàn)轭l率信號(hào)可以使用廉價(jià)的數(shù)字傳輸線發(fā)送器和接收器通過長(zhǎng)線來進(jìn)行傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，并避免了使用昂貴的模擬多路轉(zhuǎn)換電路。電壓/頻率轉(zhuǎn)換器跟雙斜率A/D轉(zhuǎn)換器一樣，具有真正的積分輸入特性。逐

7、次近似A/D轉(zhuǎn)換器定期進(jìn)行“抽樣“，因此易受噪聲峰值點(diǎn)的影響，而電壓頻率轉(zhuǎn)換器的輸入端一直在進(jìn)行積分，因此能對(duì)噪聲或變化的輸入信號(hào)進(jìn)行平滑的處理。2. 設(shè)計(jì)方案的確定2.1實(shí)現(xiàn)電壓頻率轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)電壓/頻率的轉(zhuǎn)換的方法很多，電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路實(shí)際上是一種振蕩電路，它的振蕩頻率隨外加控制電壓變化而變化。對(duì)它的基本要求是輸出頻率應(yīng)與輸入控制電壓成線性關(guān)系，且動(dòng)態(tài)范圍要大，加上本設(shè)計(jì)的要求既高精度。一般我們?cè)O(shè)計(jì)電壓頻率轉(zhuǎn)換的方法大致分為以下幾種：(1) 通過多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)電壓頻率轉(zhuǎn)換；(2) 通過集成化電路實(shí)現(xiàn)電壓頻率的轉(zhuǎn)換。鑒于我們要求輸出頻率應(yīng)與輸入控制電壓成線性關(guān)系，且動(dòng)態(tài)范圍要大，加上本設(shè)

8、計(jì)的要求高精度。所以我們選擇第二種方法。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及內(nèi)容3.3.1 設(shè)計(jì)思想電壓/頻率轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)f0與輸入電壓V的大小成正比，輸入控制電壓為直流電壓。 用輸入電壓的大小改變電容的充電速度，從而改變振蕩電路的振蕩頻率，故可以采用積分器作為輸入電路。積分器的輸入信號(hào)去控制電壓比較器，從電壓比較器的輸出引腳輸出為矩形脈沖信號(hào)，從積分器的輸出引腳輸出為三角波信號(hào)，兩者頻率相同。將輸出信號(hào)的電平通過回路，反饋到積分器，控制積分電容放電，同時(shí)運(yùn)用二極管的單向?qū)щ娦裕龀呻娮娱_關(guān)，當(dāng)積分器的電容放電到一點(diǎn)數(shù)值時(shí)，開關(guān)二極管作用，電源給電容充電。這樣就構(gòu)成了一個(gè)電容反復(fù)充電、放電的過程，電路震蕩產(chǎn)

9、生波形，并且輸入電壓的大小決定了電容的充放電的速度，從而進(jìn)行輸出波形頻率的改變，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。3.3.2 電壓/頻率轉(zhuǎn)換器原理框圖如下，圖1、2：圖1 電壓/頻率變換電路的原理框圖圖2 頻率/電壓變換電路原理圖3.3.3 各模塊方案設(shè)計(jì)1. 積分器的設(shè)計(jì)方案 基本設(shè)計(jì)方案如下方截圖3 圖3 積分電路積分電路是實(shí)現(xiàn)波形變換、濾波等信號(hào)處理功能的基本電路，它可以將周期性的方波電壓變換為三角波電壓。當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，積分電路的等效電路如圖4所示，集成運(yùn)放A同相輸出端的電位為圖4 積分電路等效電路圖反相輸入端電位。積分電路的輸出電壓為當(dāng)T截止時(shí)，積分電路的等效電路如圖5所示，Up1、Un1不變，仍為。積分電

10、路的輸出電壓為圖5 積分電路等效電路圖2.比較器的設(shè)計(jì)方案電壓比較器基本設(shè)計(jì)方案如下方圖6圖6 電壓比較器電路圖比較器的輸出電壓通過反饋網(wǎng)絡(luò)加到同相輸入端，形成正反饋，待比電壓V1較加在反相輸入端。比較器雖然有閉合環(huán)路，但由于該環(huán)路引入的是正反饋，電路增益更高，運(yùn)放依然屬于開環(huán)工作。在實(shí)際運(yùn)用中，利用遲滯特性可以有效地克服噪聲和干擾的影響。例如，在過零檢測(cè)器中，若是如正弦電壓上疊加噪聲和干擾，則由于零值附近多次過零，輸出就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤階躍。采用遲滯比較器，只要噪聲和干擾的大小在遲滯寬度內(nèi)，就不會(huì)引起錯(cuò)誤的階躍。 A2構(gòu)成的是反相輸入的滯回比較器，其輸出電壓Uo決定于由R7和穩(wěn)壓管Dz組成的限幅電

11、路，輸出高電平，輸出低電平，閾值電壓為，當(dāng)Rw的滑動(dòng)端在最左端時(shí)，；當(dāng)滑動(dòng)端在左右端時(shí)，。過零比較器，圖7圖7 過零比較器電路圖過零比較器的工作原理是將輸入信號(hào)與0V地電壓進(jìn)比較來判定輸出是高電平還是低電平，例如反相輸入端輸入的過零比較器在輸入正弦信號(hào)時(shí)，在正弦波的正半周時(shí)輸出為低電平，而在正弦波的負(fù)半周時(shí)輸出為高電平。這樣就把正弦波變成矩形波了，當(dāng)然它還可以將三角波等波形變換為矩形波。 4.低通濾波器基本設(shè)計(jì)方案如下方圖9圖9 低通濾波器電路圖對(duì)于不同濾波器而言，每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時(shí)，它有時(shí)被稱為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器。低通濾波器概念有許多不同的形式，

12、其中包括電子線路（如音頻設(shè)備中使用的hiss 濾波器、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障（acoustic barriers）、圖像模糊處理等等，這兩個(gè)工具都通過剔除短期波動(dòng)、保留長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)提供了信號(hào)的平滑形式。低通濾波器在信號(hào)處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動(dòng)平均數(shù)（moving average)所起的作用；低通濾波器有很多種，其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器。3.3.4總體原理圖及PCB圖 圖一 電壓頻率轉(zhuǎn)換器原理圖 圖二 電壓頻率轉(zhuǎn)換器PCB圖3.3.5 元器件清單不同阻值電阻、電容、LM747、12V直流電源。4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析本次設(shè)計(jì)所需要達(dá)到的目的總結(jié)起來主要有三個(gè)，

13、第一個(gè)是實(shí)現(xiàn)電壓頻率的轉(zhuǎn)換；第二個(gè)是要呈線性狀態(tài)；第三個(gè)是精度要求要高。第一點(diǎn)，比較容易實(shí)現(xiàn)，電路裝好后，只要前面所講的起振條件即可。對(duì)于第二、三點(diǎn)，通過測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來看，基本已達(dá)到預(yù)定要求。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效，我們對(duì)每組數(shù)據(jù)均采樣10次，數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。表4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)輸入電壓輸出頻率2mV0.2HZ19.98mV1.98KHZ40.10mV2.0KHZ60.08mV3.11KHZ80.30mV4.01KHZ100.02mV5KHZ121.12mV5.92KHZ140.50mV7.32KHZ160.00mV8.13KHZ181.00mV9.00KHZ200.01mV10KHZ圖

14、5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線以上所測(cè)數(shù)據(jù)是在溫度為25OC時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，大家可以從表4或者曲線圖5.4上看到，隨這輸入電壓的線性增加，輸出頻率也是呈線性增加的，這說明了在溫度恒定的情況下，輸入電壓和輸出電壓之間是呈線性關(guān)系的。因?yàn)楸倦娐返臏仄笫?，因此我們還測(cè)量了在不同的溫度下，輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系，總共測(cè)了3組數(shù)據(jù)如表5所示。（電壓?jiǎn)挝痪鶠閙V,頻率單位均為KHZ）表5 不同溫度下的測(cè)試結(jié)果TA=10OCTA=30OCTA=50OC輸入電壓輸出頻率輸入電壓輸出頻率輸入電壓輸出頻率20.111.990.102.020.1119.980.919.880.8220.10.8240.12.0841.

15、12.1639.972.1660.083.0360.283.1860.082.9580.34.0980.134.0980.73.86100.024.77100.024.92100.324.77121.126.07121.126.07121.026.07140.57.17140.77.09140.06.861607.98160.28.06159.917.911819.081828.93180.18.78200.0110200.0010.08199.899.93從上面的表可以看出來，隨著溫度的上升，其輸出端的頻率變化并不明顯，完全滿足設(shè)計(jì)要求。從以上的數(shù)據(jù)來看，不管時(shí)在溫度恒定，還是在溫度變化的情

16、況下，該電路均能保持高精度、高線性的電壓/頻率轉(zhuǎn)換。5.模擬結(jié)果：a)對(duì)振蕩器電路做溫度特性分析： 如圖2.6所示，為振蕩器頻率于溫度關(guān)系圖。當(dāng)參考電壓VR分別取(0833V+0ppm)(B1、C1)和(0833V+230ppm)(B2、C2)，輸入電壓取1V和100mV。可以看出，適當(dāng)選取正溫度系數(shù)的參考電壓VR，可使振蕩器在0-70的范圍內(nèi)頻率溫度系數(shù)處于100ppm以下。 圖2.6 振蕩器頻率與溫度關(guān)系圖b)對(duì)電壓頻率轉(zhuǎn)換器的線性度和動(dòng)態(tài)范圍的仿真分析：如圖2.7顯見從01mV變化到1V，振蕩器頻率線性增加。由圖2.8可知線性誤差小于01，動(dòng)態(tài)范圍80dB。圖2.7 輸入電壓與振蕩器頻率

17、關(guān)系 圖2.8 振蕩器非線性誤差模擬結(jié)果顯示：設(shè)計(jì)的電壓頻率轉(zhuǎn)換器具有小于01線性度，動(dòng)態(tài)范圍大于80dB，頻率溫度漂移小于100ppm/K?？偨Y(jié)通過這次的課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我的動(dòng)手能力，提高了我的運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。在本次課程設(shè)計(jì)中我做的題目是：電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。在整個(gè)方案設(shè)計(jì)中，我運(yùn)用了模擬電子的相關(guān)知識(shí)，包括：積分器、遲滯比較器等模塊電路。在選擇元件方面，我使用了兩個(gè)NJM系列的集成芯片、穩(wěn)壓管以及具有單向?qū)ㄐ缘木w二極管，從中我學(xué)到了挑選元件的方法和元件的合理構(gòu)架等書本上沒有的知識(shí)。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。沒有知識(shí)是從天而降的，沒有獲得不需要付出。是的，我這學(xué)期學(xué)習(xí)

18、了電子線路（線性部分）的知識(shí)，但是知識(shí)繁多，在課堂上不能一一弄懂、弄精，這一次的課程設(shè)計(jì)給了我機(jī)會(huì)，讓我更加深刻的對(duì)模電知識(shí)有了深刻的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)。在我拿到題目時(shí)，當(dāng)時(shí)我覺得這題目很簡(jiǎn)單，沒有什么大不了的，不就是一個(gè)電壓/頻率的轉(zhuǎn)換器帶電路嘛，還能難住我？但在這兩個(gè)星期的設(shè)計(jì)過程中，我面紅耳赤，慚愧的無地自容，剛開始我連積分器如何使用，如何與比較器進(jìn)行耦合構(gòu)成壓控振蕩器的這樣的知識(shí)都不了解！再后來我靜下心來決定好好的學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)，亡羊補(bǔ)牢，為時(shí)不晚啊。我去了圖書館進(jìn)行資料的查閱，整整一天什么事都沒有做就在圖書館四樓理工閱覽室查閱資料。隨著我研究、思考的深入，對(duì)不明白的原理和方法漸漸的弄清楚之后，我開始了電路圖的設(shè)計(jì)，心理不免有點(diǎn)小小的成就感。可在設(shè)計(jì)的過程中有出現(xiàn)了新的問題：能夠設(shè)計(jì)出無源的方波振蕩器，可就是如何加入電源，使之成為一個(gè)壓控振蕩器呢！我又一次的進(jìn)入了迷茫之中繼續(xù)圖書館查閱資料，隨著思考的越來越深入，突然在一天午覺時(shí)，終于有了頓悟：對(duì)，做一個(gè)開關(guān)，導(dǎo)通時(shí)電容放電，不導(dǎo)通時(shí)，電容充電，而電容的充電速度的快慢將直接控制輸出方波的頻率的改變，同時(shí)電容的充電速度直接由外接電源來解決！想到這里，我的整個(gè)設(shè)計(jì)思路和框圖已經(jīng)完全出來，萬事具備就欠東風(fēng)啦！我無比的興奮、激動(dòng)，為我自己感到高興，成就感油然而生接下來就進(jìn)入了電路圖的繪制階段，值得慶幸的是在這次課程設(shè)計(jì)之前，我就已經(jīng)學(xué)會(huì)了使