電壓頻率轉換器原理及典型電壓頻率轉換電路的設計

　　電壓頻率轉換器VFC（Voltage Frequency Converter）是一種實(shí)現模數轉換功能的器件，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。

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

　　VFC 有兩種常用類(lèi)型：（a） 多諧振蕩器式VFC ；（b）電荷平衡式VFC。多諧振蕩器式VFC簡(jiǎn)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，而且能對負輸入信號積分。

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

　　如果任何一個(gè)物理量通過(guò)傳感器轉換成電信號后，以預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動(dòng)計數器，使之在一定時(shí)間間隔內記錄矩形波個(gè)數，并用數碼顯示，那么可以得到該物理量的數字式測量?jì)x表。

　　電壓/頻率電路是一種模/數轉換電路，它應用于模/數轉換，調頻，遙控遙測等各種設備。

　　F/V轉換電路的任務(wù)是把頻率變化信號轉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、單穩態(tài)觸發(fā)器、低通濾波器等電路。它有通用運放F/V轉換電路和集成F/V轉換器兩種類(lèi)型。

　　隨著(zhù)電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)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(zhù)越來(lái)越重要的作用，各種先進(jìn)的傳感器正在大量 應用。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測系統大部分只允許接入1～5mA或者 200～1000Hz的模擬信號，所以在一般工業(yè)現場(chǎng)使用的傳感器要實(shí)現在煤礦的應用，除了考慮防爆因素外，還必須進(jìn)行輸出模擬信號的轉換。這種輸出信號 的轉換如果購買(mǎi)專(zhuān)用的轉換設備，不僅價(jià)格高，使用也不是很方便。實(shí)際上自己設計制作一些轉換電路也可以方便的實(shí)現所需性能，下面就介紹實(shí)用的電壓/頻率轉換電路的設計和原理。

　　電壓/頻率轉換電路

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

　　實(shí)現V/F 轉換有很多的集成芯片可以利用，其中LM331是一款性能價(jià)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/頻率轉換器，還可用作精密頻 率電壓轉換器、A/D轉換器、線(xiàn)性頻率調制解調、長(cháng)時(shí)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電路，在整個(gè)工作溫度范圍內和低 到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達100dB；線(xiàn)性度好，最大非線(xiàn)性失真小于0.01% ，工作頻率低到1Hz時(shí)尚有較好的線(xiàn)性；變換精度高，數字分辨率可達12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構成V/F或F/V 等變換電路，并且容易保證轉換精度。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的關(guān)系為：

　　Fout= Vin·Rs/（2.09·R1·Rt·Ct）

　　可見(jiàn)，在參數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(shí)現了電壓-頻率的線(xiàn)性變換。改變式中Rs的值，可調節電 路的轉換增益，即V和F之間的線(xiàn)性比例關(guān)系。將1～5V 的電壓轉換成200～ 1000Hz的頻率信號，電路參數理論值為R =18kΩ，Ct=0.022uF，R1=100kΩ，Rs=16.5528kΩ，由于元器件與標稱(chēng)值存在誤差，在電路參數基本確定后，通過(guò)調節Rs的電 位器，可以實(shí)現所需V/F線(xiàn)性變換。

　　由Fout= Vin·Rs/（2.09·R1·Rt·Ct）可知，電阻Rs、R1、Rt和電容Ct直接影響轉換結果Fout，因此對元件的精度要有一定的要求，可根據 轉換精度適當選擇，其中Rt、Ct、Rs、R1要選用低溫漂的穩定元件，Cin可根據需要選擇0.1uF 或1uF 。電容C1對轉換結果雖然沒(méi)有直接的影響，但應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，有利于提高轉換精 度。電路中的47Ω 電阻對確保電路線(xiàn)性失真度小于0.03% 是十分必須的。

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

　　以上介紹的轉換電路所需費用低，且結構簡(jiǎn)單，調試方便，非常易于實(shí)現，并且經(jīng)過(guò)我們的礦用監測設備多次的實(shí)際現場(chǎng)應用，其對于國內一般的煤礦安全監測 系統的接入信號的要求都能夠很好地滿(mǎn)足應用。