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电压频率转换器原理及典型电压频率转换电路的设计
日期: 2024-06-10

  (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。电压频率转换其实就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管理系统中很有用,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。 VFC 电压-频率转换器(vfc)是青岛晶体管研究所生产的电路。电压频率转换也可以称为伏频转换。把电压信号转换为脉冲信号后,可以明显地增强信号的抗干扰的能力,也利于远距离的传输。通过和单片机的计数器接口,能轻松实现AD转换。

  VFC 有两种常用类型:(a) 多谐振荡器式VFC ;(b)电荷平衡式VFC。多谐振荡器式VFC简单、便宜、功耗低而且具有单位MS输出(与某些传输介质连接十分便捷);电荷平衡式VFC的精度高于多谐振荡是VFC,而且能对负输入信号积分。

  电压/频率转换即v/f转换,是将一定的输入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。它的功能是将输入直流电压转换频率与其数值成正比的输出电压,故也称电压控制振荡电路。

  如果任何一个物理量通过传感器转换成电信号后,以预处理变换为合适的电压信号,然后去控制压控振荡电路,再用压控振荡电路的输出驱动计数器,使之在一段时间间隔内记录矩形波个数,并用数码显示,那就能得到该物理量的数字式测量仪表。

  电压/频率电路是一种模/数转换电路,它应用于模/数转换,调频,遥控遥测等各种设备。

  F/V转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号。这种电路最重要的包含电平比较器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。它有通用运放F/V转换电路和集成F/V转换器两种类型。

  随着电子技术和计算机技术的迅速进步,工业自动化得到了加快速度进行发展,而在工业控制领域,检测传感器件起着逐渐重要的作用,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,所以在普通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,还一定要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,下面就介绍实用的电压/频率转换电路的设计和原理。

  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。针对煤矿的特别的条件,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通过,其中LM331是一款性能价格相对较高的芯片,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,在整个工作时候的温度范围内和低 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Hz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,还能够防止Vs短路。图2是由LM331组成的典型的电压/频率变换器。

  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,以此来实现了电压-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Hz的频率信号,电路参数理论值为R =18k,Ct=0.022uF,R1=100k,Rs=16.5528k,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,能轻松实现所需V/F线性变换。

  由Fout= VinRs/(2.09R1RtCt)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可根据自身的需求选择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47 电阻对确保电路线% 是十分必须的。

  图1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 路就可以实现,其他转换也依此类推。

  以上介绍的转换电路所需费用低,且结构相对比较简单,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。