CN219718217U - 一种频率电压转换电路 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种频率电压转换电路，包括用于输入频率信号的频率信号输入端和用于输出电压信号的电压信号输出端；频率信号输入端和电压信号输出端之间依次连接有：低通滤波电路，低通滤波电路用于从频率信号中提取有效频率信号，并抑制高频噪声的干扰；同相运放电路，同相运放电路用于增大有效频率信号的功率；单稳态多谐振荡电路，单稳态多谐振荡电路用于将有效频率信号转换为电压信号；反向滤波电路，反向滤波电路用于滤除电压信号中的杂波。本申请能够将200‑2000hz的频率信号转换为0‑5V的电压信号并输出，在转换的过程中，能够滤除干扰信号和杂波、抑制高频噪声，使得输出的电压信号具有较高的稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及频率电压转换技术领域，尤其涉及一种频率电压转换电路。
背景技术
在工业机械控制领域，频率检测技术是现代生产发展中重要的测量工作，尤其是精密仪器生产制造行业，对转速频率测量越来越重视，通过频率电压转换电路的使用，可对频率测量对象实现快速化检测，以满足PLC及监控仪表对该模拟量输入信号的需求。频率电压转换时，也就是在频率和电压之间存在一个线性函数关系，某个特定频率信号与一个特定电压信号对应。也就是说，对于一个正弦波，如果它的频率不变，则频率电压变化后，出现的应该是一个恒定的直流电压。输出电压幅度与正弦波的幅度没有关系，仅与其频率有关。
频率电压转换电路广泛应用于电力、机械设备、医疗设备、工业自控等各个需要频率监测控制等领域的行业，现有的频率电压转换电路因为受外界因素干扰或输入的频率信号不稳定等，存在输出的电压信号不稳定的问题，无法满足对输出电压稳定性具有较高要求的应用场景，公开号为CN207133682U的实用新型专利公开了一种高速宽频带频率电压转换电路，该电路对于输入信号进行两次上升沿检测，在检测到第一个上升沿之后，控制一个开关由关断状态转为导通状态，在检测到第二个上升沿之后，控制另一个开关由导通状态转为关断状态，两个开关共同导通时，偏置电流源为电容充电，这样两个开关共同导通的时间仅为输入信号的一个周期，电容被充电也仅为输入信号的一个周期，便能够实现电路由频率信号到电压信号的快速转换，并达到低延迟、快速响应的效果，虽然该电路能够有效减小寄生电容效应、由温度变化引起的热噪声影响带来的干扰，但是其相对复杂，而且输出的电压仍然无法满足高稳定性的要求。为此，本申请提出一种新型的频率电压转换电路。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种频率电压转换电路。
本申请提供一种频率电压转换电路，包括用于输入频率信号的频率信号输入端和用于输出电压信号的电压信号输出端；所述频率信号输入端和所述电压信号输出端之间依次连接有：
低通滤波电路，所述低通滤波电路用于从频率信号中提取有效频率信号，并抑制高频噪声的干扰；所述有效频率信号为频率在有效范围内的频率信号；
同相运放电路，所述同相运放电路用于增大有效频率信号的功率；
单稳态多谐振荡电路，所述单稳态多谐振荡电路用于将有效频率信号转换为电压信号；
反向滤波电路，所述反向滤波电路用于滤除电压信号中的杂波。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述低通滤波电路包括第一放大器AR1、第二电容C2、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；
所述第一放大器AR1的正相输入端与所述第二电阻R2连接，所述第二电阻R2的另一端接地；所述第一放大器AR1的反相输入端与所述频率信号输入端相连；所述第一放大器AR1的正相输入端与输出端之间连接有所述第三电阻R3；所述第一放大器AR1的反相输入端与输出端之间连接有并联的所述第二电容C2和所述第四电阻R4；所述第一放大器AR1的正电源电压端连接+15V电压，负电源电压端连接-15V电压。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述频率信号输入端与所述第一放大器AR1的反相输入端之间还串联有第一电阻R1和第一电容C1。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述同相运放电路包括第二放大器AR2、第三电容C3和第五电阻R5；
所述第五电阻R5连接在所述第一放大器AR1的输出端与所述第二放大器AR2的正相输入端之间；所述第二放大器AR2的反相输入端与其自身输出端相连；所述第二放大器AR2的输出端与所述第三电容C3连接，所述第三电容C3的另一端接地；所述第二放大器AR2的正电源电压端连接+15V电压，负电源电压端连接-15V电压。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述单稳态多谐振荡电路包括第一与非门VU1、第二与非门VU2、第三与非门VU3、第四与非门VU4、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第六电阻R6和第七电阻R7；
所述第一与非门VU1的第一输入端和第二输入端分别与所述第二放大器AR2的输出端连接；所述第一与非门VU1的输出端与所述第四电容C4连接，所述第四电容C4的另一端与所述第三与非门VU3的第一输入端连接；
所述第二与非门VU2的第一输入端和第二输入端分别与所述第一与非门VU1的输出端相连；所述第二与非门VU2的输出端与所述第五电容C5连接，所述第五电容C5的另一端与所述第三与非门VU3的第二输入端相连；
所述第三与非门VU3的第一输入端还与所述第六电阻R6连接，所述第六电阻R6的另一端接地；所述第三与非门VU3的第二输入端还与所述第七电阻R7连接，所述第七电阻R7的另一端接地；所述第六电容C6的一端连接-15V电压，另一端接地；
所述第四与非门VU4的第一输入端和第二输入端分别与所述第三与非门VU3的输出端连接。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述反向滤波电路包括第三放大器AR3、第七电容C7、第八电阻R8和变阻器R9；
所述第三放大器AR3的正相输入端接地，反相输入端与所述第四与非门VU4的输出端连接，输出端与所述电压信号输出端连接；
所述第三放大器AR3的反相输入端与所述输出端之间连接有串联的所述第八电阻R8和所述变阻器R9；所述第三放大器AR3的反相输入端与所述输出端之间还连接有所述第七电容C7；所述第三放大器AR3的正电源电压端连接+15V电压，负电源电压端连接-15V电压。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述有效范围为200-2000hz。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述电压信号输出端所输出的电压信号的输出范围为0-5V。
与现有技术相比，本申请的有益效果：本申请提供的频率电压转换电路结构简单、制作成本低，其通过设置依次连接的低通滤波电路、同相运放电路、单稳态多谐振荡电路以及反向滤波电路，能够将200-2000hz的频率信号转换为0-5V的电压信号并输出，输出的电压信号的有效值随输入的频率信号的频率按线性变化，在转换的过程中，能够滤除干扰信号和杂波、抑制高频噪声，使得输出的电压信号具有较高的稳定性，能够满足PLC及监控仪表对模拟量信号的输入需求，从而可以实现对频率的实时监控。
附图说明
图1为本申请实施例提供的频率电压转换电路的封装结构示意图；
图2为本申请实施例提供的频率电压转换电路的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
请参考图1，本实施例提供一种频率电压转换电路，该电路具有三个与外部连通的区域，即图1中的A区、B区和C区，其中，A区用于作为频率电压电路的频率信号输入端，设有外接200-2000hz频率信号的接线端子，B区为±15V电压的输入端，用于接收来自±15V电压信号输入，为放大器提供电源；C区为电压信号输出端，用于接模拟量输出。
请参考图2，所述频率电压转换电路包括用于输入频率信号的频率信号输入端和用于输出电压信号的电压信号输出端；所述频率信号输入端和所述电压信号输出端之间依次连接有：
低通滤波电路，所述低通滤波电路用于从频率信号中提取有效频率信号，并抑制高频噪声的干扰；所述有效频率信号为频率在有效范围内的频率信号；
同相运放电路，所述同相运放电路用于增大有效频率信号的功率；
单稳态多谐振荡电路，所述单稳态多谐振荡电路用于将有效频率信号转换为电压信号；
反向滤波电路，所述反向滤波电路用于滤除电压信号中的杂波。
具体地，所述有效范围为200-2000hz，所述频率信号输入端与所述第一电阻R1和所述第一电容C1串联在电路中，组成谐振式滤波电路，用于改善输入电压波形畸变，以便为电路提供更好的正弦波。
所述低通滤波电路连接在所述谐振式滤波电路与所述同相运放电路之间，所述低通滤波电路包括第一放大器AR1、第二电容C2、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；所述第一放大器AR1的正相输入端与所述第二电阻R2连接，所述第二电阻R2的另一端接地；所述第一放大器AR1的反相输入端与所述第一电容C1连接；所述第一放大器AR1的正相输入端与输出端之间连接有所述第三电阻R3；所述第一放大器AR1的反相输入端与输出端之间连接有并联的所述第二电容C2和所述第四电阻R4；所述第一放大器AR1的正电源电压端连接+15V电压，负电源电压端连接-15V电压。
所述第二电容C2的容抗很小，所以对交流分量的分压衰减很大，这样交流量通过电容器直接连接于放大器，对于交流分量来说相当于短路，对于直流电压部分，由于电容器对直流电呈隔离状态，这时电容器对于电阻器没有分压作用，直流不会流过电容器，在电路中，如果电阻的阻值不变，加大滤波电容的容量可以提高滤波效果，滤波电容的容量越大越好。如果滤波电容的容量不变，加大电阻的阻值也可以提高滤波效果，但是滤波电阻的阻值不能太大，因为滤波电阻的阻值太大的话，直流输出电压就会变小。第二电容C2与第四电阻R4并联起到相位补偿、防止振荡、抑制高频噪声的作用。第一放大器AR1电压放大输出的倍数，取决于第二电阻R2与第三电阻R3，与一放大器AR1本身的参数无关。
所述同相运放电路连接在所述低通滤波电路与所述单稳态多谐振荡电路之间；所述同相运放电路包括第二放大器AR2、第三电容C3和第五电阻R5；所述第五电阻R5连接在所述第一放大器AR1的输出端与所述第二放大器AR2的正相输入端之间；所述第二放大器AR2的反相输入端与其自身输出端相连；所述第二放大器AR2的输出端与所述第三电容C3连接，所述第三电容C3的另一端接地；所述第二放大器AR2的正电源电压端连接+15V电压，负电源电压端连接-15V电压。
所述第二放大器AR2、所述第三电容C3和所述第五电阻R5组成了同相电压跟随器，电压跟随器可以定义为运算放大器电路的输出直接跟随运算放大器的输入，其也被称为单位增益，缓冲和隔离放大器。该电路具有高输入阻抗，低输出阻抗的特点，使用该运算放大器避免了加载效应，不会增强或减弱输入信号的幅度。
所述单稳态多谐振荡电路连接在所述同相运放电路与所述反向滤波电路之间，所述单稳态多谐振荡电路包括第一与非门VU1、第二与非门VU2、第三与非门VU3、第四与非门VU4、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第六电阻R6和第七电阻R7；所述第一与非门VU1的第一输入端和第二输入端分别与所述第二放大器AR2的输出端连接；所述第一与非门VU1的输出端与所述第四电容C4连接，所述第四电容C4的另一端与所述第三与非门VU3的第一输入端连接；所述第二与非门VU2的第一输入端和第二输入端分别与所述第一与非门VU1的输出端相连；所述第二与非门VU2的输出端与所述第五电容C5连接，所述第五电容C5的另一端与所述第三与非门VU3的第二输入端相连；所述第三与非门VU3的第一输入端还与所述第六电阻R6连接，所述第六电阻R6的另一端接地；所述第三与非门VU3的第二输入端还与所述第七电阻R7连接，所述第七电阻R7的另一端接地；所述第六电容C6为储能电容，其一端连接-15V电压，另一端接地；所述第四与非门VU4的第一输入端和第二输入端分别与所述第三与非门VU3的输出端连接。
所述第一与非门VU1、所述第二与非门VU2、所述第三与非门VU3、所述第四与非门VU4、所述第四电容C4、所述第五电容C5、所述第六电容C6、所述第六电阻R6和所述第七电阻R7共同组成了一个单稳态多谐振荡器，所述单稳态多谐振荡器具有一个稳定状态，并响应单个触发输入脉冲而经历一个完整的周期。单稳态多谐振荡器可以产生非常短的脉冲或更长的矩形波形，用于增加脉冲宽度或在电路内产生时间延迟，因为输出信号的频率始终与触发脉冲输入的频率相同，唯一的区别是脉冲宽度。
所述反向滤波电路连接在所述单稳态多谐振荡电路与所述电压信号输出端之间，所述反向滤波电路包括第三放大器AR3、第七电容C7、第八电阻R8和变阻器R9；所述第三放大器AR3的正相输入端接地，反相输入端与所述第四与非门VU4的输出端连接，输出端与所述电压信号输出端连接；所述第三放大器AR3的反相输入端与所述输出端之间连接有串联的所述第八电阻R8和所述变阻器R9；所述第三放大器AR3的反相输入端与所述输出端之间还连接有所述第七电容C7；所述第三放大器AR3的正电源电压端连接+15V电压，负电源电压端连接-15V电压。
所述第七电容C7是为了能够过滤电路中的杂波，使得频率信号转化成的电压信号更加的稳定和准确。所述第八电阻R8与所述变阻器R9串联用于对输出信号的精度调整。所述第三放大器AR3的输出端连接在所述电压信号输出端V(OUT)的一端，所述电压信号输出端V(OUT)的另一端接地，一般是将频率电压转换电路所输出的电压值，输出成相应的控制信号；通过设置变阻器R9可以对电压输出范围进行调整。所述电压信号输出端所输出的电压信号的输出范围为0-5V。
在本实施例中，从频率信号输入端输入的频率信号，首先经过低通滤波电路，其能够抑制高频噪声的干扰，并将在有效范围内的有效频率信号筛选出来，以防止因接收到的频率信号较弱而忽略转换，有效地减少有效频率信号的损失；其次有效频率信号会经过同相运放电路，其能够增强有效频率信号的功率、增强有效频率信号的抗干扰能力以及提高有效频率信号的质量，便于其更好的转换；接下来有效频率信号会经过单稳态多谐振荡电路以实现频率信号到电压信号的转换；最后电压信号会经过反向滤波电路，其能够将电压信号中的杂波滤除，以输出稳定的电压信号。
在本申请中，电容器可以为电解电容、胆电容或陶瓷电容，每个电容器均不局限于某一材质，某一封装或某一容值。
本申请的整个电路结构的A区有外接频率，减少接线错误，减少损坏电路器件的机会；B区有外接直流±15V电压信号，主要给电路中的各放大器提供电源；C区有外接直流0-5V输出端，可以直接连接到PLC模块。本申请提供的频率电压转换电路具有结构简单、制作成本低、输出稳定的优点。
本申请提供的频率电压转换电路，用于将200-2000hz的频率信号转换为0-5V的电压信号，输出的电压信号的有效值随输入的频率信号的频率按线性变化，输入频率与输出电压的误差在1％以内，输入的频率信号无论是正弦波、方波还是三角波，都不影响最后的输出结果。
本申请的频率电压转换电路，在各集成电路接通电源正常工作的情况下，通过频率信号输入端输入被测的正弦信号，该信号依次通过低通滤波电路、同相运放电路、单稳态多谐振荡电路和反向滤波电路，过程中正弦信号首先被转换为方波信号，然后再由方波信号转换为所需要的直流电压信号，并经电压信号输出端输出，通过调节变阻器的大小，可以调整出满足条件的直流电压信号。
本申请克服了现有技术中频率信号无法直接接入低压电路的问题，有利于频率信号到电压信号的精确测量和变送，本申请提供的频率电压转换电路具有稳定输出的优点，能够满足PLC及监控仪表对模拟量信号的输入需求，从而可以实现对频率的实时监控。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种频率电压转换电路，其特征在于，包括用于输入频率信号的频率信号输入端和用于输出电压信号的电压信号输出端；所述频率信号输入端和所述电压信号输出端之间依次连接有：
低通滤波电路，所述低通滤波电路用于从频率信号中提取有效频率信号，并抑制高频噪声的干扰；所述有效频率信号为频率在有效范围内的频率信号；
同相运放电路，所述同相运放电路用于增大有效频率信号的功率；
单稳态多谐振荡电路，所述单稳态多谐振荡电路用于将有效频率信号转换为电压信号；
反向滤波电路，所述反向滤波电路用于滤除电压信号中的杂波。
2.根据权利要求1所述的频率电压转换电路，其特征在于，所述低通滤波电路包括第一放大器AR1、第二电容C2、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；
所述第一放大器AR1的正相输入端与所述第二电阻R2连接，所述第二电阻R2的另一端接地；所述第一放大器AR1的反相输入端与所述频率信号输入端相连；所述第一放大器AR1的正相输入端与输出端之间连接有所述第三电阻R3；所述第一放大器AR1的反相输入端与输出端之间连接有并联的所述第二电容C2和所述第四电阻R4；所述第一放大器AR1的正电源电压端连接+15V电压，负电源电压端连接-15V电压。
3.根据权利要求2所述的频率电压转换电路，其特征在于，所述频率信号输入端与所述第一放大器AR1的反相输入端之间还串联有第一电阻R1和第一电容C1。
4.根据权利要求2所述的频率电压转换电路，其特征在于，所述同相运放电路包括第二放大器AR2、第三电容C3和第五电阻R5；
所述第五电阻R5连接在所述第一放大器AR1的输出端与所述第二放大器AR2的正相输入端之间；所述第二放大器AR2的反相输入端与其自身输出端相连；所述第二放大器AR2的输出端与所述第三电容C3连接，所述第三电容C3的另一端接地；所述第二放大器AR2的正电源电压端连接+15V电压，负电源电压端连接-15V电压。
5.根据权利要求4所述的频率电压转换电路，其特征在于，所述单稳态多谐振荡电路包括第一与非门VU1、第二与非门VU2、第三与非门VU3、第四与非门VU4、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第六电阻R6和第七电阻R7；
所述第一与非门VU1的第一输入端和第二输入端分别与所述第二放大器AR2的输出端连接；所述第一与非门VU1的输出端与所述第四电容C4连接，所述第四电容C4的另一端与所述第三与非门VU3的第一输入端连接；
所述第二与非门VU2的第一输入端和第二输入端分别与所述第一与非门VU1的输出端相连；所述第二与非门VU2的输出端与所述第五电容C5连接，所述第五电容C5的另一端与所述第三与非门VU3的第二输入端相连；
所述第三与非门VU3的第一输入端还与所述第六电阻R6连接，所述第六电阻R6的另一端接地；所述第三与非门VU3的第二输入端还与所述第七电阻R7连接，所述第七电阻R7的另一端接地；所述第六电容C6的一端连接-15V电压，另一端接地；
所述第四与非门VU4的第一输入端和第二输入端分别与所述第三与非门VU3的输出端连接。
6.根据权利要求5所述的频率电压转换电路，其特征在于，所述反向滤波电路包括第三放大器AR3、第七电容C7、第八电阻R8和变阻器R9；
所述第三放大器AR3的正相输入端接地，反相输入端与所述第四与非门VU4的输出端连接，输出端与所述电压信号输出端连接；
所述第三放大器AR3的反相输入端与所述输出端之间连接有串联的所述第八电阻R8和所述变阻器R9；所述第三放大器AR3的反相输入端与所述输出端之间还连接有所述第七电容C7；所述第三放大器AR3的正电源电压端连接+15V电压，负电源电压端连接-15V电压。
7.根据权利要求1所述的频率电压转换电路，其特征在于，所述有效范围为200-2000hz。
8.根据权利要求1所述的频率电压转换电路，其特征在于，所述电压信号输出端所输出的电压信号的输出范围为0-5V。
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- 2023-02-24 CN CN202320304307.5U patent/CN219718217U/zh active Active
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |