電壓頻率轉(zhuǎn)換器原理及典型電壓頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

　　電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC（Voltage Frequency Converter）是一種實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件，將模擬電壓量變換為脈沖信號，該輸出脈沖信號的頻率與輸入電壓的大小成正比。

　　電壓頻率轉(zhuǎn)換器也稱為電壓控制振蕩電路（VCO），簡稱壓控振蕩電路。電壓—頻率轉(zhuǎn)換實際上是一種模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。當(dāng)模擬信號（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時，轉(zhuǎn)換器的輸出是一串頻率正比于模擬信號幅值的矩形波，顯然數(shù)據(jù)是串行的。這與目前通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行輸出不同，然而其分辨率卻可以很高。串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換在數(shù)字控制系統(tǒng)中很有用，它可以把模擬量誤差信號變成與之成正比的脈沖信號，以驅(qū)動步進式伺服機構(gòu)用來精密控制。 VFC 電壓-頻率轉(zhuǎn)換器（vfc）是青島晶體管研究所生產(chǎn)的電路。電壓頻率轉(zhuǎn)換也可以稱為伏頻轉(zhuǎn)換。把電壓信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號后，可以明顯地增強信號的抗干擾能力，也利于遠(yuǎn)距離的傳輸。通過和單片機的計數(shù)器接口，可以實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換。

　　VFC 有兩種常用類型：（a） 多諧振蕩器式VFC ；（b）電荷平衡式VFC。多諧振蕩器式VFC簡單、便宜、功耗低而且具有單位MS輸出（與某些傳輸介質(zhì)連接非常方便）；電荷平衡式VFC的精度高于多諧振蕩是VFC，而且能對負(fù)輸入信號積分。

　　電壓/頻率轉(zhuǎn)換即v/f轉(zhuǎn)換，是將一定的輸入信號按線性的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成頻率信號，當(dāng)輸入電壓變化時，輸出頻率也響應(yīng)變化。它的功能是將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換頻率與其數(shù)值成正比的輸出電壓，故也稱電壓控制振蕩電路。

　　如果任何一個物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號后，以預(yù)處理變換為合適的電壓信號，然后去控制壓控振蕩電路，再用壓控振蕩電路的輸出驅(qū)動計數(shù)器，使之在一定時間間隔內(nèi)記錄矩形波個數(shù)，并用數(shù)碼顯示，那么可以得到該物理量的數(shù)字式測量儀表。

　　電壓/頻率電路是一種模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，它應(yīng)用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換，調(diào)頻，遙控遙測等各種設(shè)備。

　　F/V轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是把頻率變化信號轉(zhuǎn)換成按比例變化的電壓信號。這種電路主要包括電平比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、低通濾波器等電路。它有通用運放F/V轉(zhuǎn)換電路和集成F/V轉(zhuǎn)換器兩種類型。

　　隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速進步，工業(yè)自動化得到了快速發(fā)展，而在工業(yè)控制領(lǐng)域，檢測傳感器件起著越來越重要的作用，各種先進的傳感器正在大量 應(yīng)用。但是很多傳感器只提供4～20mA或者0～5V的直流模擬信號輸出，而我國煤礦使用的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)大部分只允許接入1～5mA或者 200～1000Hz的模擬信號，所以在一般工業(yè)現(xiàn)場使用的傳感器要實現(xiàn)在煤礦的應(yīng)用，除了考慮防爆因素外，還必須進行輸出模擬信號的轉(zhuǎn)換。這種輸出信號 的轉(zhuǎn)換如果購買專用的轉(zhuǎn)換設(shè)備，不僅價格高，使用也不是很方便。實際上自己設(shè)計制作一些轉(zhuǎn)換電路也可以方便的實現(xiàn)所需性能，下面就介紹實用的電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計和原理。

　　電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路

　　電壓/頻率轉(zhuǎn)換即V/F 轉(zhuǎn)換，是將一定的輸入電壓信號按線性的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成頻率信號，當(dāng)輸入電壓變化時，輸出頻率也響應(yīng)變化。針對煤礦的特殊要求，我們只分析如何將電壓轉(zhuǎn)換成 200～1000Hz的頻率信號。

　　實現(xiàn)V/F 轉(zhuǎn)換有很多的集成芯片可以利用，其中LM331是一款性能價格比較高的芯片，由美國NS公司生產(chǎn)，是一種目前十分常用的電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，還可用作精密頻 率電壓轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器及其他相關(guān)器件。由于LM331采用了新的溫度補償能隙基準(zhǔn)電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低 到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬，可達100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01% ，工作頻率低到1Hz時尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V 等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。LM331可采用雙電源或單電源供電，可工作在4.0～40V 之間，輸出可高達40V，而且可以防止Vs短路。圖2是由LM331組成的典型的電壓/頻率變換器。

　　其輸出頻率與電路參數(shù)的關(guān)系為：

　　Fout= Vin·Rs/（2.09·R1·Rt·Ct）

　　可見，在參數(shù)Rs、R1、Rt、Ct確定后，輸出脈沖頻率Fout與輸入電壓Vin成正比，從而實現(xiàn)了電壓-頻率的線性變換。改變式中Rs的值，可調(diào)節(jié)電 路的轉(zhuǎn)換增益，即V和F之間的線性比例關(guān)系。將1～5V 的電壓轉(zhuǎn)換成200～ 1000Hz的頻率信號，電路參數(shù)理論值為R =18kΩ，Ct=0.022uF，R1=100kΩ，Rs=16.5528kΩ，由于元器件與標(biāo)稱值存在誤差，在電路參數(shù)基本確定后，通過調(diào)節(jié)Rs的電 位器，可以實現(xiàn)所需V/F線性變換。

　　由Fout= Vin·Rs/（2.09·R1·Rt·Ct）可知，電阻Rs、R1、Rt和電容Ct直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果Fout，因此對元件的精度要有一定的要求，可根據(jù) 轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇，其中Rt、Ct、Rs、R1要選用低溫漂的穩(wěn)定元件，Cin可根據(jù)需要選擇0.1uF 或1uF 。電容C1對轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒有直接的影響，但應(yīng)選擇漏電流小的電容器。電阻R1和電容C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精 度。電路中的47Ω 電阻對確保電路線性失真度小于0.03% 是十分必須的。

　　圖1電路是將1～5V 的電壓轉(zhuǎn)換成200～1000Hz的頻率信號的典型電路及參數(shù)，要實現(xiàn)將4～20mA或0～5V轉(zhuǎn)換成200～1000Hz的頻率信號只要增加一些輔助電 路即可實現(xiàn)，其他轉(zhuǎn)換也依此類推。

　　以上介紹的轉(zhuǎn)換電路所需費用低，且結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，非常易于實現(xiàn)，并且經(jīng)過我們的礦用監(jiān)測設(shè)備多次的實際現(xiàn)場應(yīng)用，其對于國內(nèi)一般的煤礦安全監(jiān)測 系統(tǒng)的接入信號的要求都能夠很好地滿足應(yīng)用。