模电课设电压频率变换器.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 模拟电子技术基础模拟电子技术基础课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 电压电压 频率变换器频率变换器 院 系 院 系 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 本科生课程设计 论文 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电子与信息工程学院 教研室 电子信息工 程 本科生课程设计 论文 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 论文 题目 电压电压 频率变换器频率变换器 课程设计 论文 任务 设计参数 设计参数 1 设计一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器 2 设计放大器所需的直流稳压电源 3 电压 频率变换器输入 Vi为直流电压 控制信号 输出频率为 f0的矩形 脉冲 且 vif 0 4 Vi 变化范围 0 10 3 f0变化范围 0 10kHz 4 转换精度 1 设计要求 设计要求 1 分析设计要求 明确性能指标 必须仔细分析课题要求 性能 指标及应用 环境等 广开思路 构思出各种总体方案 绘制结构框图 2 确定合理的总体方案 对各种方案进行比较 以电路的先进性 结构的繁简 成本的高低及制作的难易等方面作综合比较 并考虑器件的来源 敲定可行方 案 3 设计各单元电路 总体方案化整为零 分解成若干子系统或单元电路 逐个 设计 4 组成系统 在一定幅面的图纸上合理布局 通常是按信号的流向 采用左进 右出的规律摆放各电路 并标出必要的说明 进度计划 第 1 天 集中学习 第 2 天 收集资料 第 3 天 方案论证 第 4 天 方案审 查 第 5 天 选择器件 第 6 天 单元电路设计 第 7 天 参数计算 第 8 天 整体电路设计 第 9 天 EWB 仿真 完善设计 第 10 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 摘 要 电压 频率变换器是一种实现模数转换功能的器件 它能够将将模拟电压量变 换为脉冲信号 该脉冲信号的频率又能够满足与输入电压的大小成正比的关系 在现实生活中 电压 频率变换器常用于实现远距离传输 并将其与单片机的计 数器接口相组合 实现 AD 转换 本次我设计的电压 频率变换器由积分器 滞回 电压比较器 电子开关 直流稳压电源四部分组成 其中积分器用于产生模拟连 续电压量 滞回电压比较器用于将模拟连续电压量转换为离散的脉冲信号 电子 开关用于控制滞回电压比较器的工作状态 直流稳压电源用于供电 经过仿真软 件 MULTISIM 的验证 这次的我所设计的电压 频率变换器基本满足设计要求 但 由于具体特定元件的缺失以及其他原因 经过焊接与调试后 并没有得出具体的 实测数据 关键词 AD 转换 积分器 滞回电压比较器 本科生课程设计 论文 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 电压 频率变换器概况 1 1 2 本文研究内容 1 1 3 总体设计方案以及论证 2 第 2 章 电压 频率变换器分电路设计及仿真演示 4 2 1 电压 频率变换器分电路设计 4 2 1 1 电压 频率变换器积分器设计 4 2 1 2 电压 频率变换器电压比较器的设计 5 2 1 3 电压 频率转换器电子开关设计 6 2 1 4 电压 频率变换器直流稳压电源设计 7 2 2 元器件型号选择 7 2 3 MULTISIM 仿真 8 第 3 章 实物的焊接与调试 10 第 4 章 课程设计总结 14 参考文献 16 附录 1 总电路原理图 17 附录 2 元器件清单 18 本科生课程设计 论文 第 1 章 绪论 1 1 电压 频率变换器概况 电压 频率变换器 VFC Voltage Frequency Converter 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 电压到频率的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 电压 频率变换也可以称为伏频变换 把电压信号变换为脉冲信号后 可以 明显地增强信号的抗干扰能力 也利于远距离的传输 通过和单片机的计数器接 口 可以实现 AD 转换 1 2 本文研究内容 本文研究的是电压 频率变换器的设计与制作 经过对资料的查找和分析 我找到了满足如下设计要求的设计方案 接下来进行了元器件的选择以及参数的 确定 并确定了总体电路的结构 最后我还进行了实物的焊接与调试 设计要求 设计要求 1 设计一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器 2 设计放大器所需的直流稳压电源 3 电压 频率变换器输入 Vi为直流电压 控制信号 输出频率为的矩形脉 0 f 冲 且 vif 0 4 Vi 变化范围 0 10 变化范围 0 10kHz 转换精度 1 0 f 本科生课程设计 论文 1 3 总体设计方案以及论证 方案一方案一 采用积分运算电路和 555 单稳态触发器构成电压 频率变换器 通过电子开关实现对电路工作的控制 并通过直流稳压电源进行供电 图 1 1 方案一总电路图 方案二方案二 用积分运算电路和滞回电压比较器构成电压 频率变换器 通过电子 开关实现对电路工作的控制 并通过直流稳压电源进行供电 图 1 2 方案二总电路图 积分器 555 单稳态触发器 电子开关 直流稳压电压源 输出 积分器 滞回电压比较器 电子开关 直流稳压电压源 输出 本科生课程设计 论文 方案论证方案论证 由于滞回比较器具有滞回特性 它与 555 单稳态转换器相比有 一定的抗干扰能力 使输出频率稳定 价格较便宜 并且在测控系统中应用广泛 而且方案一中的 555 单稳态转换器属于数字电子技术基础部分知识 我尚未接触 过 所以综合以上论证 我最终所以采用方案二来完成本次的课程设计 本科生课程设计 论文 第 2 章 电压 频率变换器分电路设计及仿真演示 2 1 电压 频率变换器分电路设计 2 1 1 电压 频率变换器积分器设计 积分器设计积分器采用集成运算放大器和 RC 元件构成的反向输入积分器 电路图如下 图 2 1 电压 频率变换器的积分器设计 积分电路的电路原理图如图 2 1 所示 它可以完成输出信号对输入信 号的积分运算 它是利用电容器两端电压与通过电容器的电流为积分关系 以及运放虚短和虚断的特性实现的 在这里积分器主要用于产生连续的模 拟电压信号 而由于晶体管参数受温度变化影响 这种温度漂移作用会造 成误差 所以 RC 要选择合适的器件 本科生课程设计 论文 2 1 2 电压 频率变换器滞回电压比较器的设计 图 2 2 电压 频率变换器的电压比较器设计 滞回电压比较器的原理图如图2 2所示 它可以看作是放大倍数接近 无穷 大 的运算放大器 电压比较器的功能是比较两个电压的大小 用输出电压的高 或低电平 表示两个输入电压的大小关系 当 输入端电压高于 输入 端时 电压比较器输出为高电平 当 输入端电压低于 输入端时 电 压比较器输出为低电平 它可工作在线性工作区和非线性工作区 工作在线性工 作区时特点是虚短 虚断 工作在非线性工作区时特点是跳变 虚断 由于比较 器的输出只有低电平和高电平两种状态 所以其中的集成运放常工作在非线性区 从电路结构上看 运放常处于开环状态 又是为了使比较器输出状态的转换更加 快速 以提高响应速度 一般在电路中接入正反馈 积分器 本科生课程设计 论文 2 1 3 电压 频率转换器电子开关设计 图 2 3 电压 频率变换器电子开关设计 电子开关采用开关晶体管接成反向器形式 当触发器的输出为高电平时 三 极管饱和导通 输出近似为零 当触发器输出为低电平时 晶体管截止 输出近 似等于 Vcc 电路原理图如图 2 3 所示 直流稳压电源 滞回电压比较器 本科生课程设计 论文 2 1 4 电压 频率变换器直流稳压电源设计 图 2 4 电压 频率变换器直流稳压电源设计 如图 2 4 所示 可采用开关三极管T 稳压二极管Dz等元件构成 具体电路如下 所示 当为0时 D4 D5 截止 D2 导通 所以积分电容通过二极管 放电 当为 1 V 1 V 1 时 D4 D5 导通 D2 截止 输入信号对积分电容充电 在单稳态触发器的输出 端得到矩形脉冲 2 2 元器件型号选择 根据题目要求结合电路图 输入与输出关系Vi f0 题目要求输入电压范围 为1 10V 而输出频率要求为1 10KHZ 输入电压与输出频率成正比关系 由公 式f Ui 6Uz R1C可以解得输出频率 其中R1 1K C 2 5nF 此时输出频率与 输入电压的关系如下表2 1所示 通过该表格 可知随着输入电压的增大 输出频 电子开关 积分器 本科生课程设计 论文 率也在 逐渐增大 输入电压减小 输出频率也随之减小 即输出频率与输入电压成正比 且该频率变化范围在0 10kHz内 满足题目要求 表2 1 输出频率与输入电压的关系 2 3 Multisim 仿真 本小节展示的是利用 Multisim 仿真所得到的仿真结果 如下所示的由 2 5 到 2 14 的 10 张图片是输入电压由 1V 变化到 10V 时 利用示波器得到的输入与 输出的波形 通过该波形可以观察到 输入波形为连续的锯齿状的连续信号 输 出波形为离散的矩形脉冲方波信号 且随着输入电压的增大 输出矩形脉冲的宽 度变窄 即频率变大 所以综合以上论证 我的仿真满足工作原理以及设计要求 1 输入电压为 1V 是 输出波形如图 2 5 所示 电压 i v V 01 002 003 004 005 006 008 0010 00 频率 0 f kHz 00 971 952 983 904 926 017 999 89 本科生课程设计 论文 图2 5输入电压为1V时 2 输入电压为 2V 时 输出波形如图 2 6 所示 图 2 6 输入电压为 2V 时 3 输入电压为 3V 时 输出波形如图 2 7 所示 图 2 7 输入电压为 3V 时 本科生课程设计 论文 4 输入电压为 4V 时 输出波形如图 2 8 所示 图 2 8 输入电压为 4V 时 5 输入电压为 5V 时 输出波形如图 2 9 所示 6 输出电压为 6V 时 输出波形如图 2 10 本科生课程设计 论文 图 2 9 输入电压为 5V 时 6 输入电压为 6V 时 输出波形如图 2 10 所示 图 2 10 输入电压为 6V 时 7 输入电压为 7V 时 输出波形如图 2 11 所示 本科生课程设计 论文 图 2 11 输入电压为 7V 时 8 输入电压为 8V 时 波形如图 2 12 所示 图 2 12 输入电压为 8V 时 9 输入电压为 9V 时 输出波形如图 2 13 所示 本科生课程设计 论文 图 2 13 输入电压为 9V 时 10 输入电压为 10V 时 输出波形如图 2 14 所示 图 2 14 输入电压为 10V 时 本科生课程设计 论文 本科生课程设计 论文 第 3 章 实物的焊接与调试 图 3 1 实物焊接图 如图 3 1 所示为本次设计的实物焊接图 图中的运放采用 UA741 运放 而本 次产品设计要求使用的是 LM741AH 883 运放 我们都知道在模拟器件中 运算放 大器起着至关重要的作用 运算放大器的改变必将对整个模拟电路产生巨大影响 而本次设计时 由于器件不足和时间不足等原因 我选择了 UA741 运放代替 LM741AH 883 运放 这是导致实物焊接后无法测出实测数据 并与仿真结果不吻 合的第一个主要原因 其次 由于我需要的电阻为 19K 5 1K 6 2K 等特殊值 而在实际生产中 并没有直接阻值与之吻合的电阻 所以为解决此问题 我的电 阻都是采用串并联或者近似替代的方式 这样所产生的误差也是不可忽略的 这 是没有调试出与仿真相吻合的结果的第二个原因 除去器件本身的参数原因 我的焊接技术不过关也占有很大原因 由于本学 期我是首次接触焊接技术 所以可能在焊一些元件时错误地造成了虚焊而对器件 造成了一定程度上的损坏 本科生课程设计 论文 第 4 章 课程设计总结 这次我的课程设计题目是电压 频率变换器 首先 在刚刚拿到这个课程设 计题目的时候 我完全不了解电压 频率变换器的含义是什么 我觉得它与我们 所学过的模拟电子技术基础的知识没有关联 但经过多日在图书馆以及网络上所 找到的资料 我对整体的框架有了初步的认识 并最终确定了设计方案 即采用 积分器 滞回电压比较器 电子开关以及直流稳压电源为总体设计方案 但在其 中 关于滞回电压比较器的知识由于课上没有系统地学习过 所以把有关滞回电 压比较器的理论知识直接应用于实践也就显得尤为困难 在设计过程中 我观察 到题目要求输出频率需要在 0 10kHz 范围内 这也就是说我必须选择大小合适的 电阻与电容 这一参数确定环节是我在本次课程设计中最为头痛的环节 我花了 好久才弄明白 其次 这次课程设计让我更加清楚的认识到我在电路的连接方面还有很大不 足 在用 Multisim 软件设计较为复杂的电路时 我经常要花好久去分析和连接 这一不足在本次课程设计的实物焊接与调试环节中也有体现 在实物焊接与调试环节中 我对电路的连接分析还很不过关 并且由于是首 次接触焊接技术 缺乏练习 导致在很多焊点上出现了虚焊问题 以上两点是我 本次焊接与调试失败的主观因素 而客观因素主要体现在以下两点 第一点是运 放的问题 由于器件不足以及时间不足 我采用了 UA741 运放去代替 LM741AH 883 运放 第二点是电阻的问题 由于有些特殊阻值的电阻不能够直接 获得 我采用了串并联和近似替代的方法 这也造成了一些无法解决的误差