CN216904873U - 一种电荷平衡式电压-频率变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电荷平衡式电压‑频率变换器，包括待变换电压输入电路、零赫兹脉冲输出电压调节电路、有源积分电路、触发信号产生电路、单稳态触发器电路、频率输出电路、尖峰脉冲形成电路、开关电路、+15V供电电路、‑15V供电电路、+5V供电电路，待变换电压通过零赫兹脉冲输出电压调节电路进入有源积分电路，积分电路输出通过触发信号产生电路产生触发信号使单稳态触发器电路状态反转，通过电容C5形成尖峰脉冲，使开关电路场效应管T3导通，使积分电压放电，放电完毕，再一次重复上述过程，单稳态触发器电路N2的6脚通过电阻R12输出频率信号。

Description

一种电荷平衡式电压-频率变换器

技术领域

本实用新型涉及一种电压-频率变换器设计的技术，尤其一种基于电荷平衡式原理的电压-频率变换器设计，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。

背景技术

电压/频率转换器VFC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，它应用于模/数转换，调频，遥控遥测等各种设备。

电压—频率转换电路实际上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 有两种常用类型：多谐振荡器式VFC ；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非常方便）；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。

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，使之在一定时间间隔内记录矩形波个数，并用数码显示，那么可以得到该物理量的数字式测量仪表。

既然电荷平衡式VFC有如此多的优点，设计一款电荷平衡式VFC电路，该电路和一个频率计相配合，便可以用作数字式电压表，其输出是一个与TTL兼容的脉冲宽度为5uS的脉冲序列，脉冲重复频率与电压输入成正比，变换因子为10KHz/V。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠的电压-频率变换器的技术。

为实现上述目的，本实用新型提供一种电荷平衡式电压-频率变换器，其包括待变换电压输入电路、零赫兹脉冲输出对应待变换输入电压调节电路、有源积分电路、触发信号产生电路、单稳态触发器电路、频率输出电路、尖峰脉冲形成电路、开关电路、+15V供电电路、-15V供电电路、+5V供电电路，待变换电压Ui通过所述待变换电压输入电路电阻R3连接运放A1的反相输入端2脚，电阻R₁、电阻R₂、电阻R₄、电阻R₆、电阻R₈、电位器P₁构成所述零赫兹脉冲输出对应待变换输入电压调节电路，所述+15V供电电路依次通过电阻R1、电阻R2连接工作地，所述-15V供电电路依次通过电阻R8、电阻R6连接工作地，电阻R1、电阻R2的连接点连接电位器P1的电阻体的上端，电阻R₆、电阻R₈的连接点连接电位器P1的电阻体的下端，电位器P1的滑动端通过电阻R4连接运放N1的2脚，运放N₁、电容C₁、输入电阻R₃构成所述有源积分电路，运放N1的输出端通过电容C1连接运放N1的反相输入端，电阻R₉、R₁₀、晶体管T₁构成所述触发信号产生电路，所述+5V供电电路依次通过电阻R₁₀、晶体管T1的C-E极连接工作地，运放N1的输出端通过电阻R9连接晶体管T1的基极，集成电路N2及其外围元件电阻R11、电容C4构成所述单稳态触发器电路，晶体管T1的集电极连接集成电路N2的5脚B端，集成电路N2的6脚Q端通过所述频率输出电路电阻R12输出与待变换电压Ui对应的频率信号F，电阻R13、电容C5并联构成所述尖峰脉冲形成电路，电阻R14、电阻R15、晶体管T2、二极管D1、稳压二极管D2、场效应管T3构成所述开关电路，集成电路N2的6脚Q端依次通过所述尖峰脉冲形成电路连接晶体管T2的基极，所述+15V供电电路依次通过电阻R14、电阻R15、晶体管T2的C-E极连接工作地，电阻R14、电阻R15的连接点通过反向稳压二极管D2连接工作地，晶体管T2的基极通过正向二极管D1连接晶体管T2的集电极，晶体管T2的集电极连接场效应管T3的栅极G，场效应管T3的源极S连接所述-15V供电电路，场效应管T3的漏极D连接运放N1的反相输入端。

所述单稳态触发器电路，集成电路N2的11脚通过电容C4连接集成电路N2的10脚，集成电路N2的11脚同时通过电阻R11连接所述+5V供电电路，集成电路N2的3脚、4脚短接且连接工作地。

附图说明

附图1、附图2、附图3、附图4用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1 是积分运算电路原理图；附图2是单稳态触发器74121常用原理图；附图3是单稳态触发器74LS121的工作波形；附图4是电荷平衡式电压-频率变换器的电气原理图。

具体实施方式

这种电荷平衡式电压-频率变换器即VFC的设计有如下特征：VFC具有积分电路、开关电路、不可重复触发性单稳态触发器电路、放电电路等组成，由理想运放作为放大电路、利用电容作为反馈网络组成积分电路。

电压控制信号从积分电路的倒相端输入，积分器的输出逐渐下降，开关电路截止，不可重复触发性单稳态触发器输出第一个脉冲，脉冲宽度由外接阻容网络决定，触发器的输出脉冲触发放电电路的导通，将积分电路的反馈电容放电，使积分电路的输出上升到原始正值，整个过程反复重复，输出一定频率的脉冲信号，下面详细介绍工作原理。

基本运放利用电容作为反馈网络组成积分电路：由基本运放和反馈电容构成的积分电路如图1所示，运放的同相端通过R^’接地，过运放具有“虚地”的特性，即u_P=u_N=0，即同相端电压等于反相端电压等于0，电路中电容C中的电流等于电阻R中的电流

，输出电压与电容上电压的关系为

,而电容上电压为其电流的积分，故

在求解t₁到t₂段时间的积分值时

式中u _O（t ₁）为积分起始时刻的输出电压，即积分运算的起始值，积分的终值是t₂时刻的输出电压。当u_I为常量时，输出电压

本设计VFC电路中的触发器使用单稳态触发器74LS121，该触发器的简介如图2所示。

74LS121的输入采用了施密特触发输入结构，所以其抗干扰能力比较强，无论是其管脚3（A₁）、4（A₂）（皆为下降沿触发的输入端），还是管脚5（同相施密特触发器即上升沿的输入端，该脚对于慢变化的边沿也有效），通过查阅手册可知74LS121的上升沿阈值U_IT+最小2v，下降沿阈值最小0.8v。

本设计将74LS121的3、4脚皆接地，上述积分电路的输出信号经过触发信号产生电路T₁连接集成电路N₂的5脚（B端）。

集成电路N₂芯片管脚10（C_ext）和管脚11（R_ext/C_ext）接外部电容（C₄），管脚9（R_int）一般与管脚14（V_CC，接＋5V）相连接，如果管脚11为外部定时电阻端时，应该将管脚9开路，把外接电阻（R₁₁）接在管脚11和管脚14之间，单稳态触发器从6脚（Q端）输出一个脉冲，该脉冲宽度与10脚、11脚外接的RC时间常数有关。

故单稳态触发器74LS121的输出端6脚（Q端）电平既取决于5脚的上升沿触发信号、又受触发器本身的定时器影响，5脚的信号经过单稳态触发器后变成和输入信号同步的触发脉冲。

图3所示为单稳态触发器74LS121的工作波形，由该图可看出，如在暂稳态期间（即t_W内）再次进行触发时，对暂稳态时间没有影响,因此，输出脉冲宽度t_W不会改变，它只取决于R_ext和C_ext的大小，而与触发脉冲无关,因此， 74LS121为不可重复单稳态触发器。

74LS121集成单稳态触发器的输出脉冲宽度t_W，决定于C₄的充电时间常数，可用如下公式估算。

t_W≈0.7R₁₁C₄

为了得到高精度的脉冲宽度，可用高质量的外接电容和电阻，表1为74LS121的功能表。

表1 74LS121的功能表

电荷平衡式VFC的电气原理：

该电路如果与一个频率计相配合，便可以作为数字式电压表使用，其输出是一个与TTL兼容的脉冲宽度为5uS的脉冲序列，脉冲重复频率与电压输入成正比，变换因子为10KHz/V，电气原理如图4所示。

可以看到，该电荷平衡式VFC电路包括待变换电压输入电路、零赫兹脉冲对应待变换输入电压调节电路、积分电路、触发信号产生电路、单稳态触发器电路、频率输出电路、尖峰脉冲形成电路、开关电路、±15V供电电路、+5V供电电路等。

集成电路N₁型号为LM301A，为一种通用运算放大器。

±15V为包括集成电路、场效应管、晶体管等在内的系统供电，图4电路应注意电路的线性度和零点的稳定性，电阻R₂、R₄、R₆、电位器P₁构成零赫兹（零赫兹其实并不存在）脉冲输出对应的待变换输入电压调节电路。

由于反馈电容C₁的存在，运放N₁、电容C₁、输入电阻R₃构成一个有源积分电路，待变换输入电压U_i通过R₃进入运放N₁的反相输入端，由公式可知，积分电路的输出以恒速下降，晶体管T₁的基极电压不断降低，这种情况一直持续到T₁截止时为止。

电阻R₉、R₁₀、晶体管T₁构成触发信号产生电路。

集成电路N₂及其10脚、11脚的阻容网络，构成一个不可重复型单稳态触发器，T₁一旦截止，其集电极电平立即跳到5V电平，触发不可重复的单稳态触发器进入暂稳态状态，N₂的Q输出端产生正向脉冲，正向脉冲的宽度也就是暂稳态的持续时间t _W取决于电阻R₁₁、电容C₄。

即决定于时间常数τ，t _W≈τ=R₁₁C₄=4.7*10³*1.5*10^-9≈5vS，脉冲宽度为5 vS，如在暂稳态期间（即t_W内）再次进行触发时，对暂稳态时间没有影响,因此，输出脉冲宽度t_W不会改变，它只取决于R₁₁和C₄的大小，而与触发脉冲无关,因此， 74LS121为不可重复单稳态触发器。

N₂的Q端输出的脉冲信号通过输出电阻R₁₂输出与待变换电压U_i对应的频率信号F。

由于单向二极管D₁的存在，电容C₅在N₂的Q端输出脉冲没出现之前没有充电，即电容C₅端电压为“0”，Q端一旦出现第一个脉冲，基于电容端电压不能突变的特性，晶体管T₂的基极出现一个正向尖峰脉冲，T₂被激励达到饱和状态，场效应管T₃的栅极降低为“0”，漏极、源极导通。

电容C₅的两端并联电阻R₁₃的作用可以这么理解，电阻的两端并联一个电容,可以减小对高频信号的阻抗,相当于微分,这样信号上升速度加快，即Q端电平的突变可以以最快速度反映到T₂的基极，至于电阻R₁₃的作用，当单稳态触发器暂稳态时间结束，Q端电平突变为“0”时，通过R₁₃可以以最快速度向Q端放电，以使T₂快速截止。

晶体管的集电极-基极间电压V_CB大于“0”，即集电结反偏、且发射结正偏的情况下晶体管处于线性放大状态，而集电结正偏的情况下晶体管处于导通状态。

晶体管T₂的基极与集电极之间连接一个二极管D₁，当Q端处于暂稳态期间的高电平时，可以保证由于正向二极管D₁的存在，使晶体管T₂极速处于导通状态；而当暂稳态结束，Q端电平为“0”时，二极管D₁极速反偏截止，保证晶体管T₂处于截止状态，也就是说晶体管T₂只能工作于完全导通和完全截止两种状态，即开关状态。

+15V供电依次通过电阻R₁₄、反向稳压二极管D₂连接工作地，稳压二极管D₂为晶体管T₂提供集电极偏置供电电压8.2V。

N₂暂稳态开始、晶体管T₂导通、场效应管T₃导通后，-15V电源使上述积分电路的反馈电容C₁在恒定的范围内放电，结果引起积分电路的输出端电压上升到其原始正电压值，晶体管T₁导通，N₂的上升沿触发端（5脚B）为“0”，为下一次触发做好准备。

单稳态触发器N₂的暂稳态结束后，Q端为“0”，T₂极速截止、T₃极速截止，C₁放电结束，就像第一个脉冲的形成一样，待变换输入电压U_i继续通过积分电路、单稳态触发器电路等形成第二个脉冲。

以上过程反复重复进行，在F端形成了一连串的脉冲，由上文可知，脉冲的的频率与输入电压成正比。

本装置在输出频率直到100KHz左右的频率依然保持线性，这就是说，在没有外部分压器的情况下，该变换器的输入U_i电压上限为10V。

VFC输出频率调“0”：该电路和一个频率计相配合，便可以用作数字式电压表，其输出是一个与TTL兼容的脉冲宽度为5uS的脉冲序列，脉冲重复频率与电压输入成正比，变换因子为10KHz/V。

待变换电压输入电阻R₃的阻值约为90K，可由一个固定金属膜电阻和一个稳定的预调电位器组成，因此该电路是可以校准的。

建议电阻R₁₁、R₁₆用金属膜电阻器，C₁、C₄用聚碳酸酯电容器。

F端输出脉冲频率其实是不可能精确为“0”的，将频率计连接在输出端F点上，使输入电压U_i对地短路，用电位器P₁调整积分电路的输入电压，使频率计的读数在0到2Hz的某个点上，即实现对电压-频率变换器的输出频率调“0”。

本设计既然属于电荷平衡式VFC，那么必然也有许多的优点，只要保证电路的线性度和零点的稳定度，那么只要输出脉冲信号频率小于100KhZ,仍然可以保证其电压-频率变换的线性度，输出脉冲的占空比可以调节。

Claims (2)

1.一种电荷平衡式电压-频率变换器，其特征在于：所述电压-频率变换器包括待变换电压输入电路、零赫兹脉冲输出对应待变换输入电压调节电路、有源积分电路、触发信号产生电路、单稳态触发器电路、频率输出电路、尖峰脉冲形成电路、开关电路、+15V供电电路、-15V供电电路、+5V供电电路，待变换电压Ui通过所述待变换电压输入电路电阻R3连接运放A1的反相输入端2脚，电阻R₁、电阻R₂、电阻R₄、电阻R₆、电阻R₈、电位器P₁构成所述零赫兹脉冲输出对应待变换输入电压调节电路，所述+15V供电电路依次通过电阻R1、电阻R2连接工作地，所述-15V供电电路依次通过电阻R8、电阻R6连接工作地，电阻R1、电阻R2的连接点连接电位器P1的电阻体的上端，电阻R₆、电阻R₈的连接点连接电位器P1的电阻体的下端，电位器P1的滑动端通过电阻R4连接运放N1的2脚，运放N₁、电容C₁、输入电阻R₃构成所述有源积分电路，运放N1的输出端通过电容C1连接运放N1的反相输入端，电阻R₉、R₁₀、晶体管T₁构成所述触发信号产生电路，所述+5V供电电路依次通过电阻R₁₀、晶体管T1的C-E极连接工作地，运放N1的输出端通过电阻R9连接晶体管T1的基极，集成电路N2及其外围元件电阻R11、电容C4构成所述单稳态触发器电路，晶体管T1的集电极连接集成电路N2的5脚B端，集成电路N2的6脚Q端通过所述频率输出电路电阻R12输出与待变换电压Ui对应的频率信号F，电阻R13、电容C5并联构成所述尖峰脉冲形成电路，电阻R14、电阻R15、晶体管T2、二极管D1、稳压二极管D2、场效应管T3构成所述开关电路，集成电路N2的6脚Q端依次通过所述尖峰脉冲形成电路连接晶体管T2的基极，所述+15V供电电路依次通过电阻R14、电阻R15、晶体管T2的C-E极连接工作地，电阻R14、电阻R15的连接点通过反向稳压二极管D2连接工作地，晶体管T2的基极通过正向二极管D1连接晶体管T2的集电极，晶体管T2的集电极连接场效应管T3的栅极G，场效应管T3的源极S连接所述-15V供电电路，场效应管T3的漏极D连接运放N1的反相输入端。

2.根据权利要求1所述的一种电荷平衡式电压-频率变换器，其特征在于：所述单稳态触发器电路，集成电路N2的11脚通过电容C4连接集成电路N2的10脚，集成电路N2的11脚同时通过电阻R11连接所述+5V供电电路，集成电路N2的3脚、4脚短接且连接工作地。

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