电压频率变换器的设计

1、漱州番用机械与电子工程学院课程设计报告课 程名称模拟电子技术课程设计设 计题目电压频率变换器所学专业名称电气信息类班级电类114班学号*学生姓名王*金指导教师2012年12月23日机电学院模拟电子技术课程设计任务书设计名称：电压频率转换器学生姓名：王*金指导教师:汪*起止时间：自2012年12月10日起至 2012年12月 25日止.熟悉集成电路及有关电子元器件的使用；. 了解电压平频率转换器主体电路的组成及工作原理.学习电路中基本电路的应用以及单稳态触发器等综合应用。二课程设计任务和基本要求设计任务：.熟悉和应用比较器的构成及设计方法，尤其是迟滞比较器的应用。.熟悉和应用积分器的构成和设计方

2、法，了解电容在其中的工作原理。.熟悉和简单应用二极管作电子开关的构成和设计方法。.熟悉迟滞比较器与积分器之间的波形转换。.熟悉掌握运用multisim画图、调试和仿真。基本要求：1).有明确的设计方案使操作简便易行。2).设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波，包括：积分器；电压比较器。3).输入为直流电压0-10V。4 )输出为f=0-500Hz的矩形波。.按规定格式写出课程设计报告书。机电学院模拟电子技术课程设计指导老师评价表院（部）机电学院年级专业电类114学生姓名王大金学生学号*题目电压频率变换器指导老师评语指导老师签名：年 月 日指导老师签名：年 月 日目录 TOC o 1-5 h

3、 z 摘要和关键词1 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第一章设计指标2 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 1.1设计指标21.1.1设计内容21.1.2设计要求2 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 第二章系统设计原理及内容2 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 2.1设计思想2 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 电压/频率转换器原理框2 HYPER

4、LINK l bookmark56 o Current Document 第三章电路各模块方案设计3 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 3.1 积分器的设计方案33.2比较器的设计方案43.2.1电压比较器43.2.2过零比较器5 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 3.3 单稳态触发器6 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 3.4低通滤波器63.5模块的整合73.5.1电压/频率7 HYPERLINK l bookmark84 o Current

5、Document 3.5.2频率/电压7 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 第四章结束语8 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 4.1心得体会8 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 元件清单9 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 参考文献9摘要和关键词摘要：本实验是对信号的产生、处理及变换功能电路的设计，在实际生产和操作中有这广泛的应用。本设 计是在大二学生学习完电路、电子线路（线性部分）信号与系统等

6、专业课程之后进行的，具有 可操作性和应用性，学生能够独立完成。电路信号的转换已经在电子领域中广泛应用，如：采样/保持 （S/H）电路、电压比较电路、V/f （电压/频率）转换器、f/V （频率/电压）转换器、V/I （电压/电流） 转换器、I/V （电流/电压）转换器、A/D（模/数）转换器、D/A （数/模）转换器等。可以从本实验中学 习到更多的电路设计的方法，激发学生的设计兴趣和激情，为以后的学习和工作打下良好大的基础。关键词：电压比较电路；V/f; f/V;电路设计第一章设计指标1.1设计指标1.1.1设计内容：小信号（100mv） v/f变换1.1.2设计要求：1）输入0100mv小信

7、号电压线性变换成010KHz频率输出；2）设计精度1%。，既误差不超过10Hz；3）输出波形（脉冲波），脉冲宽度tw=2040us。第二章系统设计原理及内容2.1设计思想电压/频率转换器的输出信号f0与输入电压V的大小成正比，输入控制电压为直流电压。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震荡频率，故可以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，从电压比较器6号引脚输出为矩形脉冲信号，从积分器的6号引 脚输出为三角波信号，两者频率相同。将输出信号的电平通过回路，反馈到积分器，控制积分电容放电， 同时运用二极管的单向导电性，做成电子开关，当积分器的电容放电到一

8、点数值时，开关二极管作用， 电源给电容充电。这样就构成了一个电容反复充电、放电的过程，电路震荡产生波形，并且输入电压的 大小决定了电容的充放电的速度，从而进行输出波形频率的改变，达到设计目的。电压/频率转换器原理框图如下，图1、2：图1电压频率转换器原理图图2频率/电压转换器原理图第三章电路各模块方案设计3.1积分器的设计方案基本设计方案如下方图3C1图3积分电路积分电路是实现波形变换、滤波等信号处理功能的基本电路，它可以将周期性的方 波电压变换为三角波电压。当T导通时，积分电路的等效电路如图4所示，集成运放A同相输出端的电位为u =4 u = _ uplR + R 131反相输入端电位UN1

9、= upi。积分电路的输出电压为uo1uo1R2 C卜 t )+o1 & J当T截止时，积分电路的等效电路如图5所示，Up1、Un1不变，仍为u1/3。积分电 路的输出电压为图5积分电路的等效电路积分电路输出波形如下:图图5积分电路的等效电路积分电路输出波形如下:图6积分电路输出波形t )+ u tUo1 =(R + R )C .1212 ()RR )c 3 u V t J + u t123.2比较器的设计方案3.2.1电压比较器如下方图7比较器的输出电压通过反馈网络加到同相输入端，形成正反馈，待比电压V1较加在反相输入端。 比较器虽然有闭合环路，但由于该环路引入的是正反馈，电路增益更高，运放

10、依然属于开环工作。在实 际运用中，利用迟滞特性可以有效地克服噪声和干扰的影响。例如，在过零检测器中，若是如正弦电压 上叠加噪声和干扰，则由于零值附近多次过零，输出就会出现错误阶跃。采用迟滞比较器，只要噪声和 干扰的大小在迟滞宽度内，就不会引起错误的阶跃。A2构成的是反相输入的滞回比较器，其输出电压Uo决定于由R7和稳压管Dz组成的限幅电路，输出高电平匕-二+七二6V，输出低电平匕广U26V，阈值电压Uth为 U =+RTHR5 + R6 + RW土 UTH = 2.4V。3.2.2过零比较器图8过零比较器的工作原理是将输入信号与0V地电压进比较来判定输出是高电平还是低电平，例如反 相输入端输入

11、的过零比较器在输入正弦信号时，在正弦波的正半周时输出为低电平，而在正弦波的负半 -5 -周时输出为高电平。这样就把正弦波变成矩形波了，当然它还可以将三角波等波形变换为矩形波。3.3单稳态触发器基本设计方案如下方图96.2= FC2i LM555CM6.2= F6.2= FC2i LM555CM6.2= F图9单稳态触发器单稳态触发器只有一个稳定状态，一个暂稳态。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。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。3.4低通滤波器基本设计方案如下方图10对于不同滤波器而言，每个

12、频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高 频剪切滤波器，或高音消除滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss滤波器、平滑数据的数字算法、音障(acoustic barriers)、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。低通滤波器在信号处理中的 作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数(moving average)所起的作用；低通滤波器有很多种， 其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。3.5模块的整合3.5.1电压/频率如图11所示为电压/频率转换电路。功能是将直流电压转换

13、成频率与其幅值成正比的矩形波，即 用输出矩形波的频来表示输入直流电压的大小，故电路完成了模拟量到数字量的转换。由于输出电压频 率收到输入直流电压的控制，故也称之为压控振荡器。2N3370图11电压/频率转换电路D3 02BZ2.25kQ 50% Key=AC1T卜2N3370图11电压/频率转换电路D3 02BZ2.25kQ 50% Key=AC1T卜5nF一黑-Q1 3始R4 10kQX71UA741CD1D2Bz2.23.5.2频率/电压如图12图12频率/电压转换电路第四章结束语4.1心得体会通过这次的课程设计，加强了我的动手能力，提高了我的运用知识解决问题的能力。在本次课程 设计中我做

14、的题目是：电压频率转换电路的设计。在整个方案设计中，我运用了模拟电子的相关知识， 包括：积分器、迟滞比较器等模块电路。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。没有知识是从天而降的，没有获得不需要付出。是的，我这学 期学习了模拟电子技术基础的知识，但是知识繁多，在课堂上不能一一弄懂、弄精，这一次的课程 设计给了我机会，让我更加深刻的对模电知识有了深刻的学习和认识。在我拿到题目时，当时我觉得这 题目很简单，没有什么大不了的，不就是一个电压频率的转换器带电路嘛，还能难住我？但在这两个星 期的设计过程中，我面红耳赤，惭愧的无地自容，刚开始我连积分器如何使用，如何与比较器进行耦合 构成压控振荡器的这样的知识都不

15、了解！再后来我静下心来决定好好的学习学习，亡羊补牢，为时不晚啊。我去了图书馆进行资料的查阅， 整整一天什么事都没有做就在图书馆四楼理工阅览室查阅资料。随着我研究、思考的深入，对不明白的 原理和方法渐渐的弄清楚之后，我开始了电路图的设计，心理不免有点小小的成就感。可在设计的过程 中有出现了新的问题：能够设计出无源的方波振荡器，可就是如何加入电源，使之成为一个压控振荡器 呢！我又一次的进入了迷茫之中继续图书馆查阅资料，随着思考的越来越深入，突然在一天午觉时，终于有了顿悟：对，做一个开 关，导通时电容放电，不导通时，电容充电，而电容的充电速度的快慢将直接控制输出方波的频率的改 变，同时电容的充电速度

16、直接由外接电源来解决！想到这里，我的整个设计思路和框图已经完全出来， 万事具备就欠东风啦！我无比的兴奋、激动，为我自己感到高兴，成就感油然而生接下来就进入了电路图的绘制阶段，值得庆幸的是在这次课程设计之前，我就已经学会了使用电子 绘图和仿真软件multisim。在绘图和仿真阶段，进行的相当的顺利，对电阻和电容数值的调试也是很 顺利的。设计过程如一条蜿蜒曲折的小径，你永远不知道下一个拐弯后有什么等待这你。这一次的课程设计 的全过程，让我体会到的是设计的艰辛，但更多的是在设计过程中发现问题、解决问题的喜悦，我开始 越来越喜欢上电子设计了。元件清单.多功能电子电路试验箱.3V稳压二极管.普通二极管.三极管.各种电阻.电容.UA741CD.LM555CM.12V直流电源 等等参考文献【1】 谢嘉奎 主编，电子