电压、频率变换器

1、模电课程设计 电气工程院 2013年5月18日 1、任务书课题名称电压/频率变换器指导教师（职称）倪琳 执行时间2013/5/13-2013/5/18学生姓名学号承担任务李昂 1109141108 电路的仿真设计金绍模1109141107分析电路工作原理黄士礼1109141106 电子开关的设计 李汉成1109141109设计单稳态触发器李龙1109141110积分器的设计李宁1109141111 制作恒流源电路李秀龙1109141112电路原理图的框架设计设计目的1、掌握电压/频率变换器的设计方法；2、学习简单的积分电路设计与调试。 3、熟悉集成运算放大器的应用设计要求 1、技术指标：设计一

2、个电压/频率变换电路，其主要指标如下：（1）输出直流VI，输出额定频率为fo的矩形波，且foVI；（2）VI变化范围：010V；（3）fo变化范围：010KHz；2、设计要求 （1）设计一个合格的电压/频率变换电路；（2）要求绘出电路工作原理图；（3）根据设计要求和技术指标设计好电路图，选好元件设备及参数；（5）拟定设计电路图的步骤；（6）撰写实验电路设计报告。3、熟悉集成运算放大器的应用 目 录 第一章 绪 论51.1 设计分析与功能51.2 原理分析及电路图设计5第二章 电路的方框图6第三章 各模块方案设计73.1积分器的设计方案73.2 单稳态触发器的设计73.3 电子开关设计83.4

3、恒流源电路设计93.5 基本计算11第四章 电路工作原理12第五章 电路的仿真与设计体会135.1 仿真结果135.2 收获和体会14【摘 要】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；高精度；555定时器。 第一章 绪 论1.1 设计分析与功能电压/频率转换器电路实质上是一种随外加控制电压

4、变化的振荡器，通过外加电压的变化改变输出信号的频率，输入V1为直流电压（控制信号），输出频率f的矩形脉冲。1.2 原理分析及电路图设计 首先要求电压/频率变换器的输入信号频率 f0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 V

5、i 控制电容充放电速度，即控制输出脉冲频率。可见，输出脉冲信号的频率决定了电容的充放电速度，即决定了V1值的大小，这就是电压/频率变换的原理分析和理论设计。 第二章 电路的方框图输出电子开关单稳态触发器积分器输入 恒流源 第三章 各模块方案设计3.1积分器的设计方案 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：反向积分电路可以完成输出信号对输出信号的积分运算，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。 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。3.2 单稳态触发器的设计单稳态触

6、发器采用555定时器构成的单稳态电路。具体电路如下:1.单稳态触发器只有一个稳定状态，一个暂稳态。 2.在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态，是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件，是构成各种时序电路的最基本逻辑单元。 3.由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。在本电路中的用途是能够使电路在输出端上能得到可调的稳定矩形脉冲。 3.3 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。3.4

7、 恒流源电路设计恒流源电路可采用开关三极管 T， 稳压二极管Dz 等元件构成。 具体电路如下所示。 当V1为 0 时，D2，D3 截止，D4 导通，所以积分电容通过三极管 T 放电。当 V1为 1 时，D2，D3 导通，D4 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。电压/频率变换器总体电路电路图3.5 基本计算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110V，而输出频率要求为 110KHZ，所以该 VFC 电路需有 1khz/v 的换系数。输入有信号电压 Vin 时， 积分电容充电， 积分器输出下降， 当降至触发器的触发电平 （ 1/

8、3Vcc），555 置位，使得积分电容通过恒流源反向充电，当积分电容电压上升到2/3Vcc 时，又使555 复位，积分电容又开始充电，从而形成振荡。因为单稳态电路的充电时间tw=1.1R7*C1,选取 R7 为 43k,C1 为 1000p，确定充电时间约为 0.05ms。根据所采用的恒流源电路及参数设置以及输入电压与输出频率的关系，可确定恒流源对积分电容反向充电时间，从而确定 C3=0.1uf，R1=20K。 第四章 电路工作原理 电路由五部分组成，分别是积分器，单稳态触发器，电子开关，恒流源，直流稳压电源组成。输入端连接稳压电源，输出端连接示波器，在输入端输入线性增长的电压，输出端所连示波

9、器所读出的波形频率也成线性增长。运放UA741的组成积分器，CH7555的组成单稳态触发器，T1、DZ的组成恒流源。当V1的电位高于555电路的触发电平，V3为低电平时，T2截止，D2、D3导通，D1截止，这时若输入正的Vi，积分器输入Vi下降。当Vi下降到使V2等于单稳态触发电平时，V3由低电平变为高电平，T2饱和导通，D2截止，D1导通，为T1提供恒定电流。由于此电路大于输入电流，积分器输入电压V1上升，此时因C2的放电端7脚对地开路，C2充电，直到C2高于555电路的值时，V3又回到低电平。以上过程重复进行，V3产生连续矩形脉冲输出，其频率为f，在一个周期内，对电容C1充放电的电荷相等，

10、即 V1*T/R1=Vz*t/R4式中T为输入信号的周期，Vz为稳压二极管的稳压值，t=1.1R8C2，用输入信号的频率f表示，得f=R4V/R1tVz。可将f与V成正比。第五章 电路的仿真与设计体会5.1 仿真结果 附 录各种元件列表：表6.1电阻RR120 KR1020 KR26.2KR310 KR4100 KR54.7 KR622KR743 KR820R910KR1020 K稳压二极管1WD6稳压值2V电容3个集成运算放大器TLV2712CDGK1个三极管NPN型计时器Lm555cm直流电压源VCC电压值15VVEE电压值-15V答辩记录及评分表 课题名称电压/频率变换器答辩教师（职称）

11、倪琳 答辩时间20122013 学年第二学期 第 12周答辩记录答辩记录1、电压频率转换器的含义：（李昂）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。2、频率电压转换器的工作原理：（李秀龙）电压频率转换器VFC（Voltage Frequency Converter）是一种实现模数转换功能的器

12、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。3、频率频率变换器中 单稳态触发器可以用电压跟随器代替吗？(黄士礼)答：可以，你用运放接个单稳态电路即可。只是这种由运放构成的单稳态电路性。一般用NE555时基电路接个单稳态电路性能更好一些。你可以用专用的压频变换集成电路LM331来设计，该集成电路采用DIP8脚封装，外围元件很少。4、555计时器的工作原理（金绍模）555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5

13、脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。5、.电压频率转换器的应用(李宁)答：电压频率转换器就可实现电压和频率的相互转换，而且具有较高的精度、线性和积分输入特性，利用它可以抑制串扰干扰。如果将其输出的信号调制成射频信号或光脉冲，还可在不受电磁影响的情况下进行无线或光纤等远距离通信传输。6、单稳态触发器工作原理：（李龙）单稳态触发器正常工作时，若未加输入负脉冲，即Vi保持高电平，则单稳态触发器的输出Vo一定是低电