电压频率转换器设计与实现毕业论文.doc

本科生毕业论文(设计) 题 目： 电压频率转换器设计与实现 学生姓名： 丁 维 学 号： 201011030123 专业班级： 自动化10101班 指导教师： 齐 庭 庭 完成时间： 2014年5月10日 摘 要 电压频率转换器VFC（VoltageFrequencyConverter）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。电压频率转换器也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。随电压频率转换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。 设计高精度电压转换器，可以利用LM324运算放大器与555定时器为核心器件的高精度线性电压频率转换器。整个电路主要是由稳定电压源模块、信号输入模块、恒流源模块、输入信号变换模块、以555定时器为核心的压频转换模块等5个模块组成的。本设计方案温漂小、抗干扰能力强、价格便宜、线性度较好、而且变换精度高。关键词：555定时器；线性；电压频率转Abstract Voltage Frequency Converter VFC (Voltage Frequency Converter) is a kind of realizing the function of analog-to-digital conversion device, analog Voltage transform into pulse signal, the output pulse signal Frequency proportional to the size of the input Voltage. Voltage frequency converter is also known as voltage control oscillation (VCO) circuits, referred to as voltage-controlled oscillation circuit. Over voltage, frequency conversion, in fact, a kind of conversion between analog and digital technology. When analog signals (voltage or current) is converted to a digital signal, the output of the converter is a string of frequency is proportional to the analog signal amplitude of the rectangular wave, obviously is the serial data. This AD converter with the general parallel output is different, but its resolution can be very high. Serial output of the adc is useful in the digital control system, it can make analog error signal proportional to the pulse signal, to drive the stepping servo mechanism used for precise control. Design of high precision voltage converter, can use LM324 operational amplifier with 555 timer as the core device of high precision linear voltage frequency converter. The whole circuit mainly by the stable voltage source module, signal input module, a constant current source module, input signal transformation module, voltage frequency conversion to a 555 timer as the core module is composed of five modules, etc. This design scheme WenPiao small, strong anti-interference ability, cheap price, good linearity, high precision and transformation.Keywords:555timing;Linear;VoltagefrequencyconversionI目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 高精度电压频率转换的目的11.2 电压频率转换的应用11.3 论文主要内容2第二章 设计方案的确定32.1 实现电压频率转换的方法32.2 方案的分析32.2.1 通过多谐振荡器实现电压频率转换32.2.2利用运算放大器与555时基电路组成的高精度电压频率转换72.3 方案的确定142.4 章节总结15第三章 高精度电压频率转换器的硬件设计163.1 元器件介绍163.1.1 555定时器163.1.2LM324运算放大器193.2 工作原理223.2.1 稳定电压源模块223.2.2 信号输入模块233.2.3 恒流源模块243.2.4 输入信号变换模块243.2.5 555定时器为核心的压频转换模块243.3章节总结25第四章 仿真与分析264.1 系统仿真264.2 数据分析274.3 遇到的主要问题294.4 现象及原因分析294.5 解决措施及效果304.6 章节总结30总 结31致 谢32参考文献33附录：电压/频率转换器工作原理图34电压频率转换器的设计与实现第一章 绪论1.1 高精度电压频率转换的目的 电压频率转换器VFC（VoltageFrequencyConverter）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。电压频率转换器也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。随电压频率转换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。随着现代电子技术渐渐的向着大规模的数字集成电路发展，面对大量的连续变化模拟量例如幅度的变化。难以对其直接分析，但可以先将模拟量转换成数字量，再在研究中都对数字信号（0和1）的直接处理分析的方法，这就需要将信号由模拟到数字进行变换。而本设计高精度电压转换器，既：电压频率转换。其过程即实现了由模拟量到数字量的转换。另外相对于电压，一个信号的频率更为稳定。大家发现通过讲电压先转换为频率，再测量其频率值，从而即可得到电压的幅度值。所以在测量中不管信号的幅度值有多大，都可以只考虑其转换后所得到的较之更为稳定的频率来代替直接对信号的分析，这样得到的结果精度会更高。以上都使得此课题非常具有研究价值。1.2 电压频率转换的应用 电压频率转换器在无线电技术中，用作频率调制（FM）；在信号源电路中，用作压控振荡等。其用在A/D转换器时拥有的独特特点，良好的精度、线性和积分输入特性，常能提供其他类型转换器无法提供的性能和效果。因为用频率表示的模拟量本身就属于一种串行数据流，所以在大型多通道系统中很容易传输处理，因为频率信号可以使用廉价的数字传输线发送器和接收器通过长线来进行传输，抗干扰能力强，并避免了使用昂贵的模拟多路转换电路。电压/频率转换器跟双斜率A/D转换器一样，具有真正的积分输入特性。逐次近似A/D转换器定期进行“抽样“，因此易受噪声峰值点的影响，而电压频率转换器的输入端一直在进行积分，因此能对噪声或变化的输入信号进行平滑的处理。1.3 论文主要内容本设计主要介绍了设计高精度电压频率转换器的目的与应用。提出了两种设计方案，通过分析比较两种方案，决定采用利用一个运算放大器与555时基电路组成的高精度电压频率转换。随后介绍了高精度电压频率转换器的各模块原理及功能。最后对整体电路进行仿真，并对仿真结果进行分析。34第二章 设计方案的确定2.1 实现电压频率转换的方法 实现电压/频率的转换的方法很多，电压/频率转换电路实际上是一种振荡电路，它的振荡频率随外加控制电压变化而变化。对它的基本要求是输出频率应与输入控制电压成线性关系，且动态范围要大，加上本设计的要求既高精度。一般我们设计电压频率转换的方法大致分为以下几种：(1) 通过多谐振荡器实现电压频率转换；(2) 利用一个运算放大器与555时基电路组成的高精度电压频率转换。2.2 方案的分析 首先我们来简单分析一下以上两种压频率转换方式，通过对它们优、缺点的分析来得出本此设计所采用的方法。 2.2.1 通过多谐振荡器实现电压频率转换这种设计的电压频率转换器系统框图如图2.1，包括一个由放大器组成的电压电流转换器、带隙恒流源和多谐振荡器。其中多谐振荡器采用射极耦合电路，其振荡频率与控制电流成正比，而控制电流由输入电压大小决定，参考电压源为振荡器提供稳定的偏置，驱动级接受振荡波形并对外部模块提供大的电流输出。 图2.1 电压频率转换器框图 整体结构设计：电压频率转换器一般要求具有高的线性度(01)、动态范围(10000：1)和低的频率温度漂移(100ppm/K)，其中最关键的部分为振荡器。本文采用文献1提出的集电极钳位振荡器思路，如图2.2所示，电压VR为稳定的参考电压源。Q1、Q2、A1、A2组成正反馈环路，稳态时Q1、Q2一个导通，一个则截止。假定Q1导通，它的发射极电流为2I，电容C上充电电流方向自左向右，D1导通，Q1的集电极电位被钳置在(VS-VR-VBE)，VBE为一个二极管的正向压降；Q2截止，D4导通，流经D4的电流也为I，则Q2的集电极电位被钳置在(VS-VBE)，两个集电极电压之差为VR，Q2导通时情况也一样。这样振荡器的电压摆幅就为VR，不随温度、电源电压的影响。频率f可表示为： f=I/(4CVR) （式2.1）设置充电电流I=vin/(3R)，VR=833mV，则频率为： f=vin/(10RC) (式2.2)图2.2 集电极钳位多谐振荡器简图以上对图2.2电路的分析都是基于理想情况下的，即假定Q1、Q2、A1、A2所组成正反馈环路的反转时间很短，Q1、Q2在过渡状态时集电极电流为O或I。实际上这种假设只有在绝对零度时成立，在实际情况下，过渡状态附近Q1、Q2的集电极电流处于O和I之间，这样就影响了电容充电电流的大小，而且这个变化与系统所处的环境温度有关。文献1仔细分析了过渡状态时充电电流的变化和对振荡频率的影响，认为对于固定的VR，振荡频率随温度升高而线性升高，频率温度系数约为230ppmK。因此要想得到一温漂小于100ppmK的性能，必须产生一正温度系数的VR来做补偿。 需分三个主要模块设计： 1、振荡器电路设计如图2.3示出了多谐振荡器电路图。钳位二极管D1-D6被三极管Q12-Q17代替，Vin为输入电压，VR为参考电压源。电路采用自适应偏置的技术，Q3、Q4、Q5集电极电流I随输人电压而改变，Q6面积为Q7的两倍，使它的集电极电流为21。Q9、QlO的加人使Q3、04、Q5的集电极发射极电压Vce基本相同，增加了电流的匹配。振荡器电压摆幅等于Q12、Q16基极电压之差，与电源电压的波动无关。 图2.3 完整的多些震荡器电路 2、输入放大器设计 如图2.4所示为输入放大器的设计。Q1、02采用纵向PNP三极管，这样可使输入电压低至(-VS)：Q9、QlO为Q3、Q4提供基极偏置电流，提高Q3、Q4集电极电流的匹配，Q3、Q4偏置电流应具有正的温度系数，这样可减小整个放大器的失凋电压；R2、只3为凋零电阻，输入信号差分放大后经两个缓冲器电流放大可直接驱动多谐振荡器的Q3、Q4、Q5。图2.4 输入放大器电路 3、带隙偏置源的设计如图2.5为带隙恒压源的设计电路图。带隙恒压源采用传统的方法设计，Q2、Q3、Q5、Q6组成差分放大器，取Q5面积是Q6的8倍,Q5、Q6集电极电流相等，则可得R4两端电压为： （式2.3）取，Q4发射极电压为 （式2.4）适当选择r值，可使Vbg温度系数很小。AMP和Q10组成电压电流转换器，流经R3的电流，其中2I为正温度系数，因此在R3两端可产生正温度系数的电压以补偿振荡器固有的负温度系数的频率漂移。偏置电压VR1可送至输入放大器，因为Q1的集电极电流I4为正的温度系数，恰好满足输入放大器偏置的要求。图2.5 带隙衡压源电路 模拟结果：a) 对振荡器电路做温度特性分析： 如图2.6所示，为振荡器频率于温度关系图。当参考电压VR分别取(0833V+0ppm)(B1、C1)和(0833V+230ppm)(B2、C2)，输入电压取1V和100mV。可以看出，适当选取正温度系数的参考电压VR，可使振荡器在0-70的范围内频率温度系数处于100ppm以下。图2.6 振荡器频率与温度关系图 b)对电压频率转换器的线性度和动态范围的仿真分析：如图2.7显见从01mV变化到1V，振荡器频率线性增加。由图2.8可知线性误差小于01，动态范围80dB。 图2.8 振荡器非线性误差图2.7 输入电压与振荡器频率关系模拟结果显示：设计的电压频率转换器具有小于01线性度，动态范围大于80dB，频率温度漂移小于100ppm/K。 2.2.2利用运算放大器与555时基电路组成的高精度电压频率转换 555时基电路接成自激多谐振荡器，只是它的充放电电阻由运算放大器组成的电流发生器所代替，故而使电路线性度不小于3%，若输入电压Vi从05V变化时，在输出频率021KHz，频率变化率为4.1KHz/V，调节RP可作适当微调以确保电路精度。R1R4应采用误差不超过0.5%精密型金属膜电阻器。原理框图如图2.9所示：图2.9 集成电压转换器原理框图 此方法可以采用图2.10所示的基本电路。这种电路具有下述优点：精度高,线性度高,功耗低、体积小。实现V/F转换有很多的集成芯片可以利用，例如：AD652S，AD7740,LM331等。这里以LM331为例。图2.10 系统总框图 输入电压在经过稳压电路处理后，变为稳定的直流电压，再经过外接了充放电电路的芯片后，转换为频率，因为有了稳压电路处理，所以精度提高了。达到了高精度目的，再经过压频转换，得出想要得到的高精度频率输出。 整个设计分为两部分，第一部分为稳压电路部分，第二部分为压频转换部分；在下面的设计介绍中会分成两个部分简要介绍。（1）稳压电路系统分析稳压电路系统由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图2.11所示。（a） 稳压电源的组成框图（b）整流与稳压过程图2.11 稳压电源的组成框图及整流与稳压过程 稳压电路中主要问题在于整流：将交流电转为直流电。可用单相桥式整流电路，单相半波整流电路，单相全波整流电路等电路来实现。因为单相桥式整流电路使用的整流器件较全波整时多一倍，整流电压脉动与全波整流相同，每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值，变压器利用率较全波整流电路高。所以在稳压系统中采用单相桥式整流电路。 整流电路采用桥式整流电路，电路如图2.12所示。在u2的正半周内，二极管D1、D4导通，D2、D3截止；u2的负半周内，D2、D3导通，D1、D4截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图2.13所示。图2.12 整流电路图图2.13 输出波形图 在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(U2是变压器副边电压有效值)。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.11.2)U2，直流输出电流:（I2是变压器副边电流的有效值），稳压电路可选集成三端稳压器电路。总体原理电路见图2.14。图2.14 稳压器原理图 a)选择集成三端稳压器因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。这里我们采用的是LM317T,管脚图和典型电路如图2.15图2.15 管脚图（左）和典型电路（右）输出电压表达式为: （式2.5）式（2.5）中，1.25V是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压VREF，此电压加于给定电阻R1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器RP1，电阻R1常取值2k，在这里，采用10K的电位器，其最大阻值为10.36k再串联一个R2，其阻值为2.2k,根据LM317输出电压表达式，取：。我们RP1一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10F大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。LM317其特性参数：输出电压可调范围：1.25V37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差U=Ui-Uo：340V b)选择电源变压器表2.1小型变压器的效率电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需要的交流电压U2。电源变压器的效率为：。其中，P2是变压器副边的功率，P1是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表2.1所示：副边功率P2U-时，比较器输出高电平（uo=Vcc）；当U+U-时，比较器输出低电平（uo=0）。比较器的输入端基本上不向外电路索取电流，其输入电阻可视为无穷大。 (3)基本RS触发器：由两个与非门G1、G2组成基本RS触发器。两个比较器的输出信号uo1和uo2决定触发器的输出端状态。基本RS触发器有置0（复位），置1（置位）和保持三种逻辑功能。电压比较器A1的输出信号作为基本RS触发器的复位控制信号dR，电压比较器A2的输出信号作为基本RS触发器的置位控制信号dS。 (4)晶体管开关：晶体管开关实际是一个共射极接法的双极型三极管开关电路，其工作状态由基本RS触发器的Q端控制，集电极引出集成块外部，外接RC充放电电路或电平转移电路等，通常，把引出集成块外部的集电极端（D）称为放电端。当基极为低电平时，V管截止；当基极为高电平时，V管饱和导通，起到开关的作用。 (5)输出缓冲器。由非门G4组成，用于增大对负载的驱动能力，并隔离负载对555集成电路的影响。如图3.1为555定时器的内部结构图。图3.1555定时器的电路结构及引脚图 555引脚功能： 1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。 2脚：低触发端 3脚：输出端Vo 4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。 5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。 6脚：TH高触发端 7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。 8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.516V，CMOS型时基电路VCC的范围为318V。一般用5V。555工作过程： 1、当6脚的电位高于基准比较电压V1当6脚（TH端）的输入电压大于基准比较电压时，电压比较器A1输出低电平。如果2脚的输入信号电压大于基准比较电压，则电压比较器C2输出高电平。这时基本RS触发器置0（复位），时基集成电路输出低电平，三极管开关处于导通状态。如果2脚的输入信号电压小于基准比较电压，则电压比较器C2输出低电平。这时，时基集成电路仍然输出低电平，三极管开关仍处于导通状态。 2、当6脚的电位低于基准比较电压V1当6脚（TH端）的输入电压小于基准比较电压=时，电压比较器A1输出高电平。如果2脚的输入信号电压大于基准比较电压=，则电压比较器C2输出高电平。这时，基本RS触发器的工作状态不变，时基集成电路的输出状态和三极管开关的工作状态保持不变。如果2脚的输入信号电压小于基准比较电压，则电压比较器C2输出低电平。这时，基本RS触发器置1，时基继承电路输出高电平，三极管开关仍处于截止状态。 3、直接复位直接复位端（R）输入低电平控制信号时，无论高触发端6脚和低触发端2脚的输入信号状态如何，基本RS触发器输出端Q输出高电平，时基集成电路输出低电平，三极管开关处于导通状态。表3.1 555功能表如表3.1为555定时器的功能表输入输出阀值输入（V11）触发输入（V12）复位（RD）输出（V0）放电管TXX00导通10导通1不变不变不同的555定时器有不同的电器特性。一般民用采用的都是NE555。NE555作为RC振荡时间电路，具有较高的精度和稳定度。单稳定时初始精度在计算值的1%之内，电源电压变化引起的漂移和温度变化引起的漂移也较小。 3.1.2LM324运算放大器 LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。如图3.2为LM324的管脚图：图3.2 LM324管脚图 集成运算放大器的内部一般是多级直接耦合放大电路，他的输入级常常差动放大电路组成，因此一般具有两个输入端，一个输出端以及用以连接电源电压和外加校正环节的的引出端。为了表征集运放各方面性能，曾制定了二十多种技术指标，现在讲常用的并和这次设计紧密相关的参数介绍以下。 1、环差模电压增益Aod这是指运放在没有外加反馈情况下的直流差模增益。它是决定精度的重要因素。理想的运算放大器的其Aod应为无穷大，实际上可以理解为差动放大的两个输入电压只要有极微小的差别，就可以使输出电压有较大的变化幅度。对于LM324，其开环电压增益可以达到25-100V/mV。也就是只要0.1V的电压波动，那么输出电压的波动范围就是10V，是相当大的。 2、输入失调电压Vos它的定义是，为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。它的数值表征了输入级差分管失配的程度，在一定成下也反映了温漂的大小。对于LM324其输入失调电压为27mV。3、输入失调电压温漂Vos这是指VOS在规定工作范围内的温度系数，是衡量一个运放的重要指标。对于LM324，其输入失调电压温漂为7.0V/0C。达到了本次设计所需要的标准。4、 输入失调电流Ios 这是用来表征差分对管输入电流不对称所造成的影响。对于LM324，其输入失调电流仅有5.0-50nA。在这里提前讲一点，输入失调电压和电流是我们在这次设计当中重点需要克服的两个问题，因为它直接关系到了设计是否能达到预定精度。 5、输入失调电流温漂 其意义和输入失调电压温漂相同，只是对象为电流。高质量的LM324的为10pA/0C。 6、输入偏置电流Ib 这是衡量差分对管输入电流绝对值大小的标志，IB太大，不仅在不同信号内阻的情况下，对静态工作点有较大的影响，而且也要影响温漂和运算精度。对于LM324的输入偏置电流为-90到-250nA。 7、最大共模输入电压VICmax 集成运放在工作时，常遇到既有差模输入又有共模输入的情况。如果共模电压超过一定限度，将会使输入极工作不正常，因此要加以限制。LM324的共模输入电压从-0.3到32V 8、最大差模输入电压VIDmax这是反相端和同相端之间所能承受的最大电压值。超过这个电压，输入级差分对管中的一个管子将会出现反向击穿的现象。LM324的最大差模输入电压可以达到32V。图3.3 LM324原理图如图3.3为LM324的工作原理图，LM324系列采用两个内部补偿、二级运算放大器。每个运放的第一级由输入缓冲晶体管Q21和Q17的差动输入器件Q20和Q18，以及差动单端转换器Q3和Q4。第一级不仅完成第一级增益的功能，而且要完成电平移动和减小跨导的功能。由于跨导的减小，仅需要用一个很小的补偿电容（仅0.5pF），从而就可以减小芯片的尺寸。跨导的减小可由将Q20和Q18的集电极分离而实现。该输入级的另一个特征是，在单电源工作模式下，输入共模范围包含负输入和地，无论是输入器件或者差动到单端变换器都不会饱和。第二级含标准电流源负载放大器。每个放大器都有内部电压稳压器提供偏置，稳压器的温度系数低，因此每个放大器就拥有良好的温度特性以及优异的电源抑制表3.2为LM324一些基本的工作参数。表3.2 LM324工作参数额定值LM324单位电源电压32Vdc输入差动电压范围32Vdc输入共模电压范围-0.3到32VVdc输出短路持续时间连续结温1500C保存温度-65到1500C工作温度-25到+850C输入失调电压2-7mV输人失调电流5.0-50nA输入偏置电流-90到250nA大信号开环电压增益25-100V/mV3.2 工作原理 如图3.4所示，为实际电压/频率转换原理图。首先根据此图我们可以把它按照功能分为五个模块。第一：稳定电压源模块；第二：信号输入模块；第三：恒流源模块；第四：输入信号变换模块；第五：以555定时器为核心的压频转换模块。现在逐次分析各个模块的功能。图3.4 电压/频率转换器工作原理图 3.2.1稳定电压源模块因为当555定时器的工作电压发生变化时，会引起1%/V的漂移。而我们需要该设计的漂移误差只能达到0.01%。因此必须给555定时器一个稳定的工作电压。既需要设计此稳定电压模块。图3.5为本次采用稳定电压源的原理图。输入电压的变化范围可以在+9.518V，而输出电压可以恒定在9V。基本工作原理是：当输入电压变大时，因运放A3的反相输入端的电压被固定在了6.225V，所以A3输出端的电压必然升高，使得VT3的基极电压降低，从而VT3的集电极电流也变小，即VT4的基极电流变小。由于三极管的特性，那么VT4集电极和发射极之间的电压升高，根据基尔霍夫的KVL定律，稳压模块输出端的电压就相应降低。这样就形成了一个动态平衡的过程，使得输出端的电压固定在了9V。关键的元件就是运放器A3，它和其他元件共同构成了一个负反馈的电路。同时为了防止供电电源电压的波动，我们在输入端接上电容C11，当电压波动是，能过滤掉高次的斜波分量。为了能观察稳压供电模块是否能工作正常，特地加上两个发光二极管，以此反映正常与否。同时这两个发光二极管也把VT3基极的电位固定在了1.5V左右，有钳位的作用。图3.5 稳定电源模块 3.2.2信号输入模块 这个模块是用一个运放组A1成了一个射极跟随器。这样做的目的是为了不让高频信号反过来影响输入信号，射极跟随器起到一个隔离的作用。如图3.6为信号输入模块电路图。A4用于减小A1的温度漂移，由A1、A4组成了一个低温漂放大器（漂移就是指输入失调电压随温度的变化）。当温度降低或者升高的时候，A1，A4的输出电压必然有波动，即升高或者降低。如果是升高的话，那么A4（A3）的输出端的电压也会升高，也就是A3的反相端电压升高，这样A3输入端正相和反相端的电势差降低，因此A3输出端的电压就降低了。也是形成了一个负反馈。根据前面对LM324的介绍我们可以了解到，因为LM324存在输入失调电压和输入失调电流，所以当你输入100mV的信号电压时，在R1两端的电压值可能会是102到105mV之间的一个数，我们知道流过R1上电流的大小是电容C1放电电流，也就是说如果这里存在误差的话，那么在NE555输出端的频率也肯定会发生偏差，因此为了克服这个缺点我们在的加入了R6、R7、R8和RP1组成的偏置电路来克服失调电压和电流。图3.6 信号输入模块 3.2.3 恒流源模块 此模块是为了给C1提供恒定的充电电流。从555定时器Cvolt引脚输出的电压为Vcc*2/3，且恒定不变。然后也通过一个设计跟随器，同样是为了起到隔离的作用。所以此时VT2的C极电位近似为1/3DDV。而R2、VT2、A2、VD1和C1等组成一个恒流源，C1的充电电流为。 3.2.4 输入信号变换模块A1与VT1、R1组成电压电流的变换器，它把输入电压iV变换成与其成比例的C1放电电流。输入信号的电压幅值（200mV）大，则VT1的导通性能好，C1上的电荷放得快，那。 3.2.5 555定时器为核心的压频转换模块在C1充电期间，3脚呈高电平，VD2截止。当C2通过R4充电高于时，定时器555复位，暂稳态结束。设暂稳宽度，即脉冲宽度为T，C1的放电时间为t，则有：，因而 ，由此可推出： ，可见脉冲频率f与输入信号的幅值成正比，从而实现了电压频率的线性转换。3.3章节总结本章主要介绍了高精度电压频率转换器的硬件设计，介绍了555定时器和LM324运算方法器的原理和功能。逐次分析了由这两个芯片组成的总电路图的五个组成模块：一是稳定电压模块；二是信号输入模块；三是恒流源模块；四是输入信号变换模块；五是以555定时器为核心的压频转换模块。第四章 仿真与分析4.1 系统仿真 设计过程当中我们采用了Multisim这个软件。采用软件模拟得到的参数比实际测得的参数精度要高。比如采用模拟电压表测电压，精确度可以达到小数点后面5位，比我们平时用的数字万用表的精确度都要高。 Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。这个软件它的特点是：Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借 Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。实验不消耗器材，实验所需要器材种类和数量不受限制，实验成本相