电压频率和频率电压转换电路的设计(8)

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是低电平，例如反相输入端输入的过零比较器在输入正弦信号时，在正弦波的正半周时输出为低电平，而在正弦波的负半周时输出为高电平。这样就把正弦波变成矩形波了，当然它还可以将三角波等波形变换为矩形波。过零比较器，顾名思义，其阈值电压UT=0V。电路如图9(a)所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+UOM或-UOM。当输入电压uI<0V时，UO=+UOM；当输入电压uI>0V时，UO=-UOM。因此，电压传输特性如图9(b)所示。

(a)电路 （b）电压传输特性

图 10 过零比较电路及电压传输特性

2.5.2 单稳态触发器

我们知道，因为触发器有两个稳定的状态，即0和1，所以触发器也被称为双稳态电路。与双稳态电路不同，单稳态触发器只有一个稳定的状态。这个稳定状态要么是0，要么是1。单稳态触发器的工作特点是：(1)在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态；（2）在受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入“暂稳态”。假设稳态为0，则暂稳态为1。（3）经过一段时间，单稳态触发器从暂稳态返回稳态。单稳态触发器在暂稳态停留的时间仅仅取决于电路本身的参数。

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图 11 单稳态触发电路

此电路可用在一些自动控制系统中。电阻R1、R2组成分压电路，为运放A1负输入端提供偏置电压U1，作为比较电压基准。静态时，电容C1充电完毕，运放A1正输入端电压U2等于电源电压V+，故A1输出高电平。当输入电压Ui变为低电平时，二极管D1导通，电容C1通过D1迅速放电，使U2突然降至地电平，此时因为U1>U2，故运放A1输出低电平。当输入电压变高时，二极管D1截止，电源电压R3给电容C1充电，当C1上充电电压大于U1时，既U2>U1，A1输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然，提高U1或增大R2、C1的数值，都会使单稳延时时间增长，反之则缩短。

如果将二极管D1去掉，则此电路具有加电延时功能。刚加电时，U1>U2，运放A1输出低电平，随着电容C1不断充电，U2不断升高，当U2>U1时，A1输出才变为高电平。

2.5.3低通滤波器

低通滤波器是容许低于截至频率的信号通过， 但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。

低通滤波器原理：它是利用电容同高频阻低频,电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频,利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过，对于需要的低频，利用电容高阻、电感低阻的特点是它通过。

一个可以作为低通滤波器的简朴电路包括与一个负载串联的电阻以及与负载并联的一个电容。电容有电抗作用阻止低频信号通过，低频信号经过负载。在较高频率电抗作用减弱，电容起到短路作用。这个区分频率（也称为转换频率或者截止频率（Hz））由所选择的电阻和电容所确定。

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图 12 低通滤波器原理图

2.6 F/V总电路图设计原理

包括以上分析的三个部分：电平比较器，单稳态触发器和低通滤波器。

图 13 F/V总电路图设计原理

如图10运放构成的F/V转换电路。放大器N1及R3、R4构成电压比较器，二极管VD1、VD2为输入限幅保护；N2及R1、R2、R5、R6、R、C、R7、R2、VT2构成低通滤波器；N3为隔离用输出放大器。当有输入信号ui时，比较器N1将输入信号转换相同频率的方波u，再经过微分电容C1和二极管VD3把上升的窄脉冲送至单稳态N2的输入端。在常态下uN为负电位、N2输出为高电平，三极管VT1、VT2导通，u2为低电平。N1送来的正脉冲使N2翻转、输出变为低电平；这时VT1截止，u2变为高电平（其值为稳压管VS的稳压值Um），uN保持在高电平UH，其值为

UH=R1×Um/（R1+R2）+R2×（-E）/（R1+R2）

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同时VT2截止，使电容C被+E通过R充电，N2同向输入up随之变化，其值为 Up（t）=up（∞）+[up（0+）-up（∞）]e-t/t 式中，up（∞）=E；up（0+）=R6× E/（R+R6）。

当C被充电到up≥UH时，N2再翻转到达稳定状态，充电时间经历TW，它的值为

TW=RCIn{[E-up(0+)]/[E-UH]}

转换电路的各点电压波形关系如图11，图12所示，通低滤波后，电路输出电压平均值为

u0=Tw× Um× fi

从而完成了输入频率fi到输出模拟电压的转换。

图 14 转换前的波形

图 15 转换后的波形 3 设计心得