【测控电路】V/f转换器

V/f转换器

可将输入信号电压转换为相应频率信号, 又称电压控制(压控)振荡器(VCO)

通用运放V/f转换电路

积分复原式V/f转换电路

• 
• 原理
  • 输入$u_i=0$: 积分器$u_c=0$, 比较器输出$u_o$为负向限幅电压$-U_Z$, 开关管$V$截止, 比较器同向端电压$u_p=U_2$
  • $u_i>0$: 积分器$u_c$负向增加, $u_c\le U_2$, 比较器输出$u_o$由负向限幅电压突变为正向限幅电压$U_Z$, 驱动开关管$V$导通, 积分电容$C$通过$R_3$放电, 积分器输出迅速回升; $u_o$正反馈则$u_p$突变为$U_1$不立即翻转
  • 积分器输出$u_c\ge U_1$: 比较器输出由正向限幅电压$U_Z$突变为负向限幅电压$U_Z$, V截止, $u_p$恢复为$U_2$, 积分器再次积分
  • 积分器输出负向锯齿波, 比较器输出脉冲序列
  • 输入电压越大, 输出脉冲频率越高
• 计算频率
  • 充电过程输出的电压
    $$u_C(t)=-\frac{1}{R_{1}C}{\int }_0^t{u}_{i}dt+U_1$$
  • 积分得充电持续时间
    $$T_1=\frac{R_{1}C(U_1-U_2)}{u_i}$$
  • 放电电流平均值
    $$I\approx |\frac{U_1+U_2}{2(R_3+r_{ce})}|$$
  • 放电持续时间
    $$T_2=|\frac{U_2-U_1}{I}|C$$
  • 充放周期$T{T}_1+T_2$
  • 忽略放电时间, 提高线性度
    $$f_0\approx \frac{1}{T}=\frac{u_i}{R_{1}C(U_1-U_2)}$$
• $f_0\approx \frac{1}{T}=\frac{1}{R_{1}C(U_1-U_2)}{u}_i$

电荷平衡式V/f转换电路

• 
• $u_i>0$: 积分器$N_1$输出$u_c$下降到0, 比较器$N_2$翻转, 单稳定时器产生宽度$t_0$脉冲, 恒流源$|I_S|>i$, $u_c$迅速向上斜变;
  • 脉冲结束后: 开关$S$断开, $u_i$产生的电流$i=u_i/R$向电容C充电使$u_c$负向斜变, 过零时再翻转产生脉冲,循环
• 充电时间$t_1$电荷量 $\Delta Q_1=i{t}_1$
• 放电时间$t_0$电荷量 $\Delta Q_0=(I_S-i)t_0$
• 电荷平衡$\Delta Q_0=\Delta Q_1$
  $t_1=(\frac{I_S}{i}-1)t_0$
• 输出脉冲频率
  $$f=\frac{1}{t_0+t_1}=\frac{1}{I_S{t}_0}i=\frac{u_i}{I_S{t}_{0}R}$$
• 消除了积分复原引起的非线性误差, 提高了转换线性度

集成V/f转换器

• 输入$u_i>u_6$, 输入比较器输出高电平,Q高,V饱和导通, 输出$u_o=u_{oL}\approx 0V$
  • 电流开关$S$闭合, 电流源输出电流$I_S$对$C_L$充电, $u_6$上升
  • $u_5$对应芯片内放电管截止, 电源$U$经$R_t$对$C_t$充电,到$u_5=u_{Ct}\ge 2U/3$,单稳态定时器输出改变状态, Q端为低电平,V截止,$u_o=u_{oH}=+E$,$S$断开,$C_L$放电,$u_6$下降
  • $u_6\le u_i$: 第二个脉冲周期

f/V转换器

由电平鉴别器, 单稳态触发器, 低通滤波器组成, 输入信号通过鉴别器转换成快速上升/下降的方波信号触发单稳态触发器, 产生定宽定幅度的输出脉冲序列, 经低通滤波器平滑, 得比例于输入信号频率$f_i$得输出电压 $u_o=T_w{U}_m{f}_i$

• 通用运放f/V转换器
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  • $u_o=T_w{U}_m{f}_i$