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 u_i=0 ui=0: 积分器 u c = 0 u_c=0 uc=0, 比较器输出 u o u_o uo为负向限幅电压 − U Z -U_Z −UZ, 开关管 V V V截止, 比较器同向端电压 u p = U 2 u_p=U_2 up=U2
- u i > 0 u_i>0 ui>0: 积分器 u c u_c uc负向增加, u c ≤ U 2 u_c\leq U_2 uc≤U2, 比较器输出 u o u_o uo由负向限幅电压突变为正向限幅电压 U Z U_Z UZ, 驱动开关管 V V V导通, 积分电容 C C C通过 R 3 R_3 R3放电, 积分器输出迅速回升; u o u_o uo正反馈则 u p u_p up突变为 U 1 U_1 U1不立即翻转
- 积分器输出 u c ≥ U 1 u_c\ge U_1 uc≥U1: 比较器输出由正向限幅电压 U Z U_Z UZ突变为负向限幅电压 U Z U_Z UZ, V截止, u p u_p up恢复为 U 2 U_2 U2, 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 ) = − 1 R 1 C ∫ 0 t u i d t + U 1 u_C(t)=-\frac{1}{R_1C}\int_0^t u_idt+U_1 uC(t)=−R1C1∫0tuidt+U1 - 积分得充电持续时间
T 1 = R 1 C ( U 1 − U 2 ) u i T_1=\frac{R_1C(U_1-U_2)}{u_i} T1=uiR1C(U1−U2) - 放电电流平均值
I ≈ ∣ U 1 + U 2 2 ( R 3 + r c e ) ∣ I\approx|\frac{U_1+U_2}{2(R_3+r_{ce})}| I≈∣2(R3+rce)U1+U2∣ - 放电持续时间
T 2 = ∣ U 2 − U 1 I ∣ C T_2=|\frac{U_2-U_1}{I}|C T2=∣IU2−U1∣C - 充放周期 T T 1 + T 2 TT_1+T_2 TT1+T2
- 忽略放电时间, 提高线性度
f 0 ≈ 1 T = u i R 1 C ( U 1 − U 2 ) f_0\approx\frac{1}{T}=\frac{u_i}{R_1C(U_1-U_2)} f0≈T1=R1C(U1−U2)ui
- 充电过程输出的电压
- f 0 ≈ 1 T = 1 R 1 C ( U 1 − U 2 ) u i f_0\approx\frac{1}{T}=\frac{1}{R_1C(U_1-U_2)}u_i f0≈T1=R1C(U1−U2)1ui
电荷平衡式V/f转换电路
- u i > 0 u_i>0 ui>0: 积分器 N 1 N_1 N1输出 u c u_c uc下降到0, 比较器 N 2 N_2 N2翻转, 单稳定时器产生宽度 t 0 t_0 t0脉冲, 恒流源 ∣ I S ∣ > i |I_S|>i ∣IS∣>i, u c u_c uc迅速向上斜变;
- 脉冲结束后: 开关 S S S断开, u i u_i ui产生的电流 i = u i / R i=u_i/R i=ui/R向电容C充电使 u c u_c uc负向斜变, 过零时再翻转产生脉冲,循环
- 充电时间 t 1 t_1 t1电荷量 Δ Q 1 = i t 1 \Delta Q_1=it_1 ΔQ1=it1
- 放电时间 t 0 t_0 t0电荷量 Δ Q 0 = ( I S − i ) t 0 \Delta Q_0=(I_S-i)t_0 ΔQ0=(IS−i)t0
- 电荷平衡 Δ Q 0 = Δ Q 1 \Delta Q_0=\Delta Q_1 ΔQ0=ΔQ1
t 1 = ( I S i − 1 ) t 0 t_1=(\frac{I_S}{i}-1)t_0 t1=(iIS−1)t0 - 输出脉冲频率
f = 1 t 0 + t 1 = 1 I S t 0 i = u i I S t 0 R f=\frac{1}{t_0+t_1}=\frac{1}{I_St_0}i=\frac{u_i}{I_St_0R} f=t0+t11=ISt01i=ISt0Rui - 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 u_i>u_6 ui>u6, 输入比较器输出高电平,Q高,V饱和导通, 输出 u o = u o L ≈ 0 V u_o=u_{oL}\approx 0V uo=uoL≈0V
- 电流开关 S S S闭合, 电流源输出电流 I S I_S IS对 C L C_L CL充电, u 6 u_6 u6上升
- u 5 u_5 u5对应芯片内放电管截止, 电源 U U U经 R t R_t Rt对 C t C_t Ct充电,到 u 5 = u C t ≥ 2 U / 3 u_5=u_{Ct}\geq 2U/3 u5=uCt≥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 o H = + E u_o=u_{oH}=+E uo=uoH=+E, S S S断开, C L C_L CL放电, u 6 u_6 u6下降
- u 6 ≤ u i u_6\leq u_i u6≤ui: 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 f_i fi得输出电压 u o = T w U m f i u_o=T_wU_mf_i uo=TwUmfi
- 通用运放f/V转换器
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- u o = T w U m f i u_o=T_wU_mf_i uo=TwUmfi