电压频率变换器要点

模模拟电拟电 子技术基础子技术基础 课程设计（论文） 电压电压/频率变换器频率变换器 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 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： 起止时间：起止时间： 2015.7.6-2015.7.192015.7.6-2015.7.19 本科生课程设计（论文） III 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程工程学院 教研室： 电子信息工程 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电气 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 任务要求：任务要求： 电压/频率变换器是一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器，其输出信 号频率与输出电压的大小成正比。由振荡电路、电压比较器等部分电路组成。 技术要求：技术要求： 1、设计放大器所需的直流稳压电源。 2、电压/频率变换器输入 Vi为直流电压（控制信号） ，输出频率为 fo的矩形 脉冲，且 foVi。 3、Vi变化范围：010。 4、fo变化范围：010kHz。 5、转换精度1%。 6、利用 Multisim（或 EWB）进行电路仿真与调试。 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） IV 摘 要 电压/频率转换器 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。本次课程设计利用输入电压的大小改变电容的充电速 度,从而改变振荡电路的振荡频率,故采用积分器作为输入电路,积分器的输入信 号去控制电压比较器或者单稳态触发器,可得到矩形脉冲输出,由输出信号电平通 过一定反馈式控制积分电容恒容放电,当电容放电到某一域值时,电容 C 再次充电,由 此实现 Vi 控制电容充放电速度,即控制输出脉冲频率 关键词：V-F 转换；反向输入积分器；电子开关；反馈式控制 本科生课程设计（论文） V 目录 第一章 绪论 1.1 电压频率转换器概况1 1.2 本文研究内容1 第二章 电压/频率变换器总体设计方案 2.1 电压频率变换器总体设计方案论证2 2.2 总体设计方案框图及分析2 第三章 电压/频率变换器单元电路设计 3.1 电压/频率具体电路设计 3 3.1.1 积分器设计3 3.1.2 滞回电压比较器设计3 3.1.3 电子开关设计4 3.1.4 稳压电源设计4 3.2 元器件型号选择5 3.3 参数计算5 3.3 电压/频率变换器总体电路图 6 第四章 Multisim 仿真、数据分析 4.1 Multisim 仿真与调试 7 4.2 仿真结果分析 9 第五章 电压/频率变换器实物制作 10 第六章 作品测试与数据分析 11 第七章 总结12 参考文献 13 附录 14 附录 15 本科生课程设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 电压频率转换器概况 随着电子技术和计算机技术的迅速发展，工业自动化得到快速发展，而在 工业控制领域，检测传感器件起着越来越重要的作用，各种先进的传感器正在大 量应用电压频率转换器。本次课设设计电路实质上就是一个方波锯齿波发生电 路，只不过这里是通过改变输入电压 Vi 的大小来改变输出波形频率，从而将电 压参量转换成频率参量。电压频率转换器的用途较广。为了使用方便，一些厂家 将电压频率转换器做成模块，有的电压频率转换器模块输出信号的频率与输入电 压特性的非线性误差小于 0.02%, 但振荡频率较低,一般在 100KHZ 以下。 1.2 本文研究内容 电压/频率变换器转换电路是将模拟电压信号转换成频率信号。电压/频率变 换器的输入信号频率f。与输入电压Vi的大小成正比，输入控制电压Vi 常为直流电压， 也可根据要求选用脉冲信号做为控制电压，其输出信号可为正弦波或者脉冲波形 电压。本设计利用输入电压的大小改变电容的充电速度，从而改变振荡电路的振 荡频率，故采用积分器作为输入电路。积分器的输出信号去控制电压比较器，可 得到矩形脉冲输出，由输出信号电平通过一定反馈方式控制积分电容恒流放 电， 当电容放电到某一域值时， 电容C再次充电。 由此实现Vi控制电容充放电速度， 即 控制输出脉冲频率。通过减小电容的容量可以获得更大震荡频率。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章电压/频率变换器总体设计方案 2.1 电压频率变换器总体设计方案论证 方案一：利用输入电压的大小改变电容器的充放电速度，从而改变振荡频率， 故可采用积分器作为输入电路，积分器的输入信号去控制电压比较器，可得到矩 形脉冲输出。有输出信号电平通过一定反馈方式控制积分电容恒流放电，当电容 放电到某一值时，电容 C 再次充电。可见，输出脉冲信号的频率决定于电容的充 放电速度，即决定Vi值的大小，这就实现了电压/频率转换。 方案二：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 换电路，555 时基电路接成自激谐振荡器，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，故而使电路的非线性度不小于 3%，若输入电压Vi从 05V 变化时，在输出频率 0 21KHZ，频率变化率为 4.1KHZ/V，调节 RP 可作适 当微调为确保电路精度。 比较以上方案及根据现有器件，本设计选用方案一来完成。 2.2 总体设计方案框图及分析 图图2.22.2 总体设计方案框图总体设计方案框图 利用输入电压的大小改变电容器的充放电速度，从而改变、振荡频率，故可 采用积分器作为输入电路，积分器的输入信号去控制电压比较器，可得到矩形脉 冲输出。 电子开关 积分器 输出的方波信号 滞回电压比较器 本科生课程设计（论文） 3 第三章 电压/频率变换器单元电路设计 3.1 电压/频率具体电路设计 3.1.1 积分器电路设计 积分器采用运算放大器和 RC 元件构成的反相输入积分器。 图图3.1.13.1.1 积分器电路积分器电路 3.1.2 滞回电压比较器电路设计 图图 3.1.23.1.2 滞回电压比较器电路滞回电压比较器电路 VDD 10V R1 1k D1 1N1202C C1 1uF VEE 15V VCC 15V VCC VEE 1 R2 1k 30 2 U2 741 3 2 4 7 6 51 VDD U2 741 3 2 4 7 6 51 R9 100k R10 220k 08 VCC 12V VDD -12V VCC VDD 本科生课程设计（论文） 4 3.1.3 电子开关电路设计 电子开关采用开关三极管接成反相器形式，当触发器的输出为高电平时，三 极管饱和导通，输出近似为0，当触发器输出为低电平时，三极管截止，输出近 似等于+Vcc。 图图 3.1.33.1.3 电子开关电路电子开关电路 3.1.4 稳压电源电路设计 单相交流电经过电源变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和稳压电路转换 成稳定的直流电压。 直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要 通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压通过整流电路 从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉冲电压。 为 了减少电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。 交流电压通 过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负 载变化时，其平均值也将随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受 电网电压波动负载变化的影响，从而获得足够高的稳定性。 +12V -12V 图图3.1.43.1.4稳压电源电路稳压电源电路 R7 100k Q1 2N3391 R8 20k 6 5 0 C3 2.2mF C4 2.2mF D1 1N4007 D2 1N4007 D3 1N4007 D4 1N4007 XMM1 XMM2 V2 18 Vrms 50 Hz 0 8 9 C7 100uF C8 100uF C1 100nF C2 100nF C5 100nF C6 100nF 0 5 1 2 4 U1 LM7812CT LINEVREG COMMON VOLTAGE U2 LM7912CT LINEVREG COMMON VOLTAGE 本科生课程设计（论文） 5 3.2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 Vif0，题目要求输入电压的范 围为010V，而输出频率要求为 010KHZ，所以该 VFC 电路需有 1khz/v 的换系 数。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运放放大器，适 合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作 条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模 块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。9014是非常常见的晶体 三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，它是NPN型小 功率三极管。 9014 的参数： 3.3 参数计算 我们知道积分电路输出电压变化的速率与输入电压大小成正比，如果积分电 容充电使输出电压达到一定程度后，设法使它迅速放电，然后输入电压再给它充 电，如此周而复始，产生振荡，其振荡频率与输入电压成正比，即电压频率转换 器。积分器采用运算放大器和 RC 元件构成的反相输入积分器。积分器的作用是 当电路输入方波时，如果积分时间常数选择的合适，则积分电路输出为三角波， 如果积分时间常数选的过小，即积分速度太快，将使积分电路输出在输入电压产 生跳变前就达到了饱和值，从而使输出电压不为三角波。电源信号通过积分电路 反相端，得到矩形信号。假设输入信号 Vs是阶跃信号，且电容 C 初始电压为零， 则当 t0 时： 积分电路公式： 这表明输出电压 vo与时间 t 成线性关系。 t I v dv RC v s t t so 0 1 本科生课程设计（论文） 6 3.4 电压/频率变换器总体电路图 输入电压的大小改变电容的充电速度,从而改变振荡电路的振荡频率,故采用积分 器作为输入电路,积分器的输入信号去控制电压比较器，可得到矩形脉冲输出,由 输出信号电平通过一定反馈式控制积分电容恒容放电,当电容放电到某一域值时, 电容 C 再次充电,由此实现 Vi 控制电容充放电速度,即控制输出脉冲频率。 图图 3.43.4 电压电压/ /频率变换器电路频率变换器电路 VCC 12V R1 200 R2 20k Key=A50% VCC 1 R3 220k R5 2.2k R6 2.2k C1 150pF U1 741 3 2 4 7 6 51 U2 741 3 2 4 7 6 51 VEE -12V VEE VCC 12V 0 3 VCC R7 100k Q1 2N3391 R8 20k R9 100k R10 220k 08 VCC 12V VDD -12V VCC VDD 4 5 XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ 9 7 0 XMM1 2 0 XMM2 6 0 本科生课程设计（论文） 7 第 4 章 Multisim 仿真、数据分析 4.1 Multisim 仿真与调试 输入为 1V 时，仿真图形如图 4.1.1。 图图 4.1.14.1.1 输入为输入为 1V1V 时仿真图形时仿真图形 输入为 3V 时，仿真图形如图 4.1.2。 本科生课程设计（论文） 8 图图 4.1.24.1.2 输入为输入为 3V3V 时仿真图形时仿真图形 输入为 5V 时，仿真图形如图 4.1.3。 图图 4.1.34.1.3 输入为输入为 5V5V 时仿真图形时仿真图形 输入为 7V 时，仿真图形如图 4.1.4。 本科生课程设计（论文） 9 图图 4.1.44.1.4 输入输入 7V7V 时仿真图形时仿真图形 输入为 9V 时，仿真图形如图 4.1.5。 图图 4.1.54.1.5 输入输入 9V9V 时仿真图形时仿真图形 本科生课程设计（论文） 10 4.2 仿真结果分析 积分器的输出信号去控制电压比较器或者单稳态触发器，可得到矩形脉冲输出，由 输出信号电平通过一定反馈方式控制积分电容恒流放电，当电容放电到某一阈域 值时，电容 C 再次充电。由此实现 Vi 控制电容充放电速度，即控制输出脉冲频 率。通过 multisim10 仿真软件对电路进行仿真后，结果满足设计要求，完成了 本设计。 第五章 电压/频率变换器实物制作 5.1电压/频率变换器电路焊接 5.2电压/频率变换器作品 本科生课程设计（论文） 11 第六章 作品测试与数据分析 本科生课程设计（论文） 12 第7章 总结 对我而言，这是一次很有意义的实验设计。使让我明白了理论和实验的区别。只 懂得理论知识还不够，要懂得将理论用于实际中去。整个课程设计过程，不仅是一个 课程设计，也让我对于课本上的知识有了更深的了解，对于知识，也更加形象化了 电压/频率 转换电路与计算机的接口比较简单，转换精度和线性度也比较好。 通过这次课设教我学会很多关于电子产品知识。进一步的认识了我们现实生活电 子产品，了解和掌握了一些简单电子元件的运用，大大的拓展了我们的知识面。 提高了自己以后在学习生活中自己动手能力。给我们很大的启发，很有助于我们 将来的学习生活和工作。通过 Multision 10 仿真软件对电路中电源电路，积分 电路，滞回比较器的仿真，得到了具体的仿真结果，从而完成了本次设计。 本科生课程设计（论文） 13 参考文献 2孙肖子主编。模拟电子电路及技术基础（第二版） 。西安电子科技大学出版社 2王吉英等著。线性电子电路实验。中国科技大学出版社。2009.7 4 Paul scherz 著。实用电子元器件与电路基础。电子工业出版社。2009.4 5刘志军主编。模拟电路实验基础教程。清华大学