电压—频率转换电路

1、模拟电路课程设计报告设计课题：电压/频率转换电路专业班级：09电信本学生姓名：学 号：090802016指导教师：曾祥华设计时间： 二0 一年一月一日目录一、设计任务与要求二、方案设计与论证1、方案一：电荷平衡式电路2、方案二：复位式电路三、单元电路设计与参数计算1、± 12V 直流稳压电源2、积分器3、滞回比较器四、总原理图及元器件清单五、安装与调试六、性能测试与分析1、直流源的性能测试与分析2、电压频率转换电路的性能测试与分析七、结论与心得八、参考文献附： 物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩评定表电压/频率转换电路一、设计任务与要求 将输入的直流电压（10组以上正电压）转换成

2、与之对应的频率信号。 用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（土12V）。（提示：用锯齿波的频率与滞回比较器的电压存在一一对应关系，从而得到不同的频率.）二、方案设计与论证电压-频率转换电路（VFC的功能是将输入直流电压转换成频率与其数值成 正比的输出电压，故也称为电压控制振荡电路（VCO,简称压控振荡电路。通常, 它的输出是矩形波。方案一、电荷平衡式电路：如图所示为电荷平衡式电压-频率转换电路的原理框图。电路组成：积分器和滞回比较器，S为电子开关，受输出电压uO的控制。设 uI<0，-；uO的高电平为UOH uO的低电平为UOL电ft ¥ ft武电压频率转

3、换电路的原理框图及波形分析当uO=UO时，S闭合，当uO=UO时，S断开。当uO=UO时，S断开，积分器对输入电流iI积分，且il=ul/R ，uO1随时间逐渐上升；当增大到一定数值时，从 UOL跃变为UOH使S闭合，积分器对恒流源电流I与iI的差值积分，且I与iI的差值近似为I , uO1随时间下降；因 为匸M,所以uO1下降速度远大于其上升速度；当uO1减小到一定数值时， uO从UOh跃变为UOL回到初态，电路重复上述过程，产生自激振荡，波形如图 (b)所示。由于T1»T2振荡周期TT1。uI数值愈大，T1愈小，振荡频率f愈高， 因此实现了电压-频率转换，或者说实现了压控振荡。电

4、荷平衡式电路：电流源I对电容C在很短时间内放电的电荷量等于iI在 较长时间内充电的电荷量方案二、复位式电路： 电路组成:复位式电压-频率转换电路的原理框图如图所示，电路由积分器和单限比较 器组成，S为模拟电路开关，可由三极管或场效应管组成。1血复位式电压匚频申H摊电斑的原理梔工作原理:设输出电压uO为高电平UOH寸S断开，uO为低电平UO时S闭合。当电源 接通后，由于电容C上电压为零，即uO仁0使uO=UO，S断开，积分器对uI 积分，uO1逐渐减小；一旦uO1过基准电压UREF uO将从UOh跃变为UOL导致 S闭合，使C迅速放电至零，即uO1=0从而uO将从UOL跃变为UOH； S又断开，

5、 重复上述过程，电路产生自激振荡，波形如图(b)所示。uI愈大，uO1从零变 化到UREF所需时间愈短，振荡频率也就愈高比较两方案可知，电荷平衡式电路的满刻度输出频率高，线性误差小，精度咼，且电路简单、兀器件较常见、能容易获得。故米用方案一一电荷平衡式电路三、单元电路设计与参数计算（一）土 12V直流稳压电源根据其设计流程图：-Oo®lJk变压器电魁-0A电蹄/w采用桥式整流电容滤波集成稳压块正负直流电源电路，原理图如下:直流电源四个组成部分分析:1、电源变压器。其电路图如下:22() V50 Hz由于要产生土 12V的电压，所以在选择变压器时变压后副边电压u2应大于24V,由现有的

6、器材可选变压后副边电压 u2为15V的变压器2、整流电路。其电路图如下：Tr桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上 端相连，负极性端与负载电阻的下端相连， 使负载上始终可以得到一个单方向的 脉动电压。3、滤波电路。其电路图如下：滤波电容容量较大，一般采用电解电容器。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑r jF'P 'J'J_2n"滤波电路输出电压波形如下:4、稳压电路我们知道，三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、 调整电路和

7、保护电路等部分组成。调成管决定输出电压值。由于本课程设计要求 ± 12V的输出电压，所以我们选用 7812和7912的三端稳压管（二）积分器积分电路的输入电压Ui和输出电压Uo的波形。由于t >>tp，电容缓慢充 电，其上的电压在整个脉冲持续时间内缓慢增长，当还未增长到趋于稳定值时， 脉冲已告终止（t=t1 ）。以后电容经电阻缓慢放电，电容上电压也缓慢衰减。在 输出端输出一个锯齿波电压。时间常数T越大，充放电越是缓慢，所得锯齿波电压的线性也就越好。从波形上看，u2是对u1积分的结果。因此这种电路称为积分电路。 在脉冲电路 中，可应用积分电路把矩形脉冲变换为锯齿波电压，作扫

8、描等用。积分电路如图所示其中Rf是为了防止集成运放饱和。运算关系：u o =- 1 / R C / u i d t设置 R = 1 0 k Q ， C = 1 卩 F当输入为阶跃信号时，输出电压波形如图所示:（三）滞回比较器1）电路结构:滞回比较器电路见图所示。IkR2口5kl6V?它是从输出引一个电阻分压支路到同相输入端。由电路有输出电压 Uo=± Uz。2）工作原理及传输特性当输入电压U从零逐渐增大，且U< +UT时，Uo =+ Uz，+UT称为上限阀值电Ut -UzRi R2当输入电压Ui=+UT, Uo = - Uz 0 -Ut称为下限阀值电平。当Ui逐渐减小，且Ui=

9、 -U t以前，Uo始终等于-Uz，因此出现了如图所示的滞 回特性曲线：2R2U Ut ( Ut)UzR1 R2回差电压U :3) 特点及应用抗干扰能力较强。一般用于波形的形成和变换四、总原理图及元器件清单总原理图如下：(1)电压一频率转换电路(2)桥式整流电容滤波集成稳压块土 12V直流电源THKIW7S12D1lx氐一 D233OOuF10DJ 330DuF|p 7uFIL40U/n 5000Y D-W75122500C淞加F R弋厂审* Uq2元器件清单如下:元件序号型号主要参数数量备注R1、R2 R4R710K40.1元U1、U2UA74120.8元C2、C6 C71UF30.5元R5

10、 R3 R81K30.1元R62K10.1元D11N400770.1元D4 D56. 2V20.1元Tr15V19元T1LM781211.2元T2LM791211.2元D2、D320.3元C1、C33300uF20.2元C4 C50.1uF20.2元C8 C9220uF20.2元五、安装与调试（一）安装依据已设计出的电路图，合理地在电路板上布局，拉线。在安装的过程中注意以下几点：1、大电解电容的正负极不能接反；2、uA741的各管脚不能接错；3、三端稳压管三个端的作用一定要分清；4、二极管的正负极要辨清；5、焊时拉线要直，焊点应均匀。（二）调试I、直流源动态调试将变压器插头插至220V交流电后

11、，开始测变压器的副边电压 U2及滤波输出电压 U1、U2还有稳压管输入电压 Ui1和Ui2，最后测试Uo1和Uo2这几个步骤应按 顺序进行，若其中某一个步骤出现问题，应及时停下进程，切断电源，查找和想 法排解故障。U、电压一频率转换电路动态调试1、先用仿真软件将原理图仿真，观察其是否符合理论结果。仿真结果如下：可知原理图符合实验要求，达到预期结果2、实验箱调试首先连接好电路， 用示波器观察输出波形，若波形正确则说明电路正确。然 后改变不同的输入电压值、 用函数信号发生器测其输出电压频率， 若电压频率与 理论值基本符合则说明电路符合要求。若不符合则应逐级检查、逐级调整， 直至 符合要求。经过调试

12、，我们获得了成功，进一步肯定我们方案的正确性。六、性能测试与分析（ 一 ） 直流源性能测试与分析I、直流源性能测试在调试成功后， 我们开始测试直流源各组成部分的输入及输出电压。 具体过程如 下：a、 用万用表交流档测试副边电压 U2,结果：U2+=14.8V, U2-=-14.8V;b、 用万用表直流档测试滤波输出电压，结果：Uo+=17.8V, Uo-=-17.9V;c、 用万用表直流档测试稳压管输入电压，结果：Uo+=17.8V, Uo-=-17.9V ；d、 用万用表直流档测试稳压管输出电压，结果：Uo+=11.9V, Uo-=-12.0V ;U、直流源数据处理及误差分析：数据处理：理论

13、值：变压器的副边电压： U2+=+15V U2-=-15V ； 滤波输出电压：Uo+=+18V Uo-=-18V ；稳压输入电压：Uo+=+18V Uo-=-18V；稳压后输出电压： Uo+=+12V Uo-=-12V。变压器副边：n i=|14.8-15|/15 X 100%=1.33%滤波输出（稳压输入）：n 2= |17.8-18|/18 X 100%=1.11% n 3= |-17.9+18|/18 X 100%=0.56% 稳压电压：n 4=|11.9-12|/12 X 100%=0.83%n 5=|-12.0+12|/12 X100%=0（ 二） 电压频率转换电路性能测试与分析I、

14、电压一频率转换电路性能测试a、在输入端加入直流信号12v,用示波器观察输出波形b、用函数信号发生器将输入的直流电压（10组正电压）转换成与之对应的频率 信号U、电压一频率转换电路数据处理及误差分析：由公式:f=R2*|Ui|/（2R1*RW*C*UZ）可计算出电压频率数据处理：测数 U的输入值f的测量值f的真实值f的误差相对误差11781806253.10%22.42%32.519912016251.24%4323882419311.28%5.3.527382823853.01%6431413226852.63%74.535383629912.51%8539854032471.17%96468

15、548391543.18%1933.42%（三）误差原因分析1）集成块不是理想的集成块；2）电子元器件存在缺陷，不是标准数值，比如电阻电容不够理想等;3）电路之间的连线不是理想的，有电阻，使实验存在误差；4）直流电源输出不是标准的正负12V。5）焊接的电路板有焊点的接触性不好。6）读取数据时由于人的感官误差和视觉误差。7）参数设计的不是很标准。8）信号源带负载能力差。9）外界环境的影响导致误差。七、结论与心得( 一 ) 实验结论 直流电源：(1 )桥式整流电路由四只二极管组成， 保证了在变压器副边电压的整个周期 内，负载上的电压和电流方向始终不变。(2 )电容滤波电路是利用电容的充放电作用，使

16、输出的电压趋与平滑。(3 )在稳压管稳压电路中，只能使稳压管工作在稳压区，输出电压才能得到 基本稳定。电荷平衡式电压 - 频率转换电路：(1 )电荷平衡式电压 - 频率转换电路是由积分器和滞回比较器组成的电路。(2 )通过该电路能够实现电压 - 频率的转换。(3 )在输出波形不失真的范围内，f与Ui是成正比的关系，f随Ui的增大 而增大。( 二) 心得通过此次模电电荷平衡式电压 - 频率转换电路课程设计，加强了我对模拟电 子技术这门课程的理解， 对其应用有了一定的认识， 提高了我们综合运用知识的 能以及分析问题、 解决问题的能力。此次模拟电子技术课程设计，让我懂得了实 践的重要性。即使课本知识

17、掌握的很好， 如果不会综合运用， 也是一些支离破碎 的无用的知识，而如果能够运用而实际动手能力很差，理论与实践结合不起来， 学得再好也没用。这次课程设计恰好是将课本知识与的巩固与综合运用结合来， 再加上实际动手能力的培养三者结合起来的。 一方面，它加深与巩固了所学的各 章节的理论，并将其综合运用，提高了我们综合运用知识的能力；另一方面，培 养了我们对专业知识学习的趣。 课程设计中出现了很多问题。 比如说设计原理图 时，必须懂得电荷平衡式电压 - 频率转换电路的工作原理。电路设计过程及参数确定比较烦琐， 我在算时会遇到很多问题， 有时实在算 不出来了就想放弃， 但很快自己会意识到那是一种错误的想

18、法， 所以自己会给自 己鼓劲继续往下进行， 当算到最后时便会有很大的成就感， 这强烈的激起了我学 习的兴趣， 我想这次课程设计对我以后的专业课程学习将有很大帮助。 一开始我 们用的稳压管稳压值偏大， 导致了实验结果波形不稳定， 最后经过我们的仔细研 究与讨论把问题解决了，成功的完成了这次实验设计。这里，我首先要感谢我的指导老师曾祥华老师， 他细心地帮我解决了一系 列问题， 帮助我成功地完成了这次实验设计。 其次，我还要感谢王奇和吴浩月同 学，帮助我更好地完成设计了实验。八、参考文献1、电工电子实践指导 （第三版） ，王港元主编，江西科学技术出版社（2009）2009)2、电子线路设计、实验、测试 （第四版），罗杰，谢自