电压频率转换器设计.docx
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电压频率转换器设计
辽宁工业大学
电子技术基础课程设计（论文）
题目：
电压/频率变换器
院（系）：
电子与信息工程学院
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
王景利
教师职称：
副教授
起止时间：
2008.6.30---7.6
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
学号
学生姓名
专业班级
课程设计（论文）题目
电压/频率变换器
课程设计（论文）任务
设计任务：
（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。
设计参数：
（1）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
。
（2）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：
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。
指导教师评语及成绩
成绩：
指导教师签字：
年月日
目录
第一章电压/频率转换器设计方案论证3
1.1电压/频率转换器的应用意义3
1.2电压/频率转换器的设计要求及技术指标3
1.3电压/频率转换器的设计方案论证3
1.4电压/频率转换器的总体设计方案框图及分析4
第二章电压/频率转换器各单元电路设计5
2.1积分电路设计5
2.2电压比较器电路设计6
2.3电子开关的设计7
2.4恒流源电路设计7
2.5直流稳压电路设计8
第三章电压/频率转换器整体电路设计9
3.1整体电路图及工作原理9
3.2电路的参数分析9
3.3整体电路性能分析10
第四章设计总结10
参考文献11
第一章电压/频率转换器设计方案论证
1.1电压/频率转换器的应用意义
电压/频率转换器（VFC）能把输入信号电压变换成相应的频率信号，即它的输出信号频率与输出信号的电压值成正比，故又称之为压控振荡器（VOC）。
VFC广泛的应用于调频调相、模数变换（A/D）、数字电压表、数据测试仪器及远距离测遥控设备中由通用模拟集成电路组成的VFC电路，尤其是专用模拟集成电压——频率转换器，其性能稳定、灵敏度高、非线性误差小、且模拟集成电压——频率转换器具有精度高，线性度高、温度系数低、耗能低、动态范围宽等一系列优点，目前已广泛地应用于数据采集、自动控制和数字化及智能化测量仪器中。
1.2电压/频率转换器的设计要求及技术指标
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
技术指标：
（1）电压Vi变化范围：
0~10V
（2）频率f变化范围：
0~10KHZ
（3）转换率<1%
1.3电压/频率转换器的设计方案论证
根据课程设计的任务，对电压/频率转换器电路通常可采用多种不同性质和不同形式的电路完成所需要的电压/频率转换器，为此课题我提出如下几个方案：
方案一：
利用结型场效应管VF对555时基电路进行调频从而实现电压——频率转换电路，结型场效应管VF工作在路变阻区，输入控制电压Vi加到它的栅源间，控制场效应管漏源极间的电阻，因此使555时基电路的振荡频率得到控制，当输入负电压绝对值愈大，漏源极间的等效电阻愈大，振荡频率就愈低；反之，出入负电压上升，则频率升高。
但此方案既用到结型场效应管VF又用到555时基电路，使电路比较难以调试，输出频率不易灵活控制而且精度不高。
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，555时基电路接成自激多谐振荡器，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0～5V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。
R1～R4应采用误差不超过0.5%精密型金属膜电阻器。
虽说此方案们精确度效高，但成本较高。
方案三：
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。
综上所述比较以上方案，我选择采用第三种方案来完成此课题的设计
1.4电压/频率转换器的总体设计方案框图及分析
积分器电压比较器电子开关
恒流源
图1-1总体设计方案图
分析：
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。
第二章电压/频率转换器各单元电路设计
2.1积分电路设计
选择电路形式积分电路的形式可以根据实际要求来确定。
若要进行两个信号的求和积分运算，应选择求和积分电路。
若只要求对某个信号进行一般的波形的变换，可选用基本积分。
此课题的积分器作为输入电路，所以可采用由集成运算放大器和RC元件构成的反向输入积分器，反向输入积分器的电路图如下所示：
图2-1反向输入积分器的电路图
1确定时间常数
根据输入信号的类型和运放所允许的最大输出电压峰-峰值Uop-pmax以及设计指标对输出信号大小的要求确定积分时间常数RC，RC的大小决定于积分速度的快慢，由于运算放大器的最大输出电压Uomax为有效值。
通常Vmax=10V左右。
若RC值太小，积分输出幅度Uop-p较小，有可能达不到设计的指标要求。
若RC值过小，则运算误差较大，在还未达到预定的积分时间t之前，运算已经饱和，输出电压波形会严重失真。
所以，合适的RC值应兼顾两者。
为避免输出信号出现过载，以致运放饱和，应使积分输出符合Uop-p2选择电路元件
a.时间常数确定后,主要考虑C的取值,C取值太小,虽然增大R对提高积分器的输入电阻,但不利于积分温漂;C值过大，又会造成体积过大和漏电等问题。
因此在精密积分器中常选用小于1微法的电容。
此外还因为电容的系列值比电阻小，一般先选择电容再计算电阻，否则难于找到匹配的电容值，由于反向积分电路的输入电阻Ri=R。
因此往往希望R的阻值大一些。
b.确定Rp
Rp为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调，一般取Rp=R.
c.确定Rf
为减少运放的直流漂移。
在实际积分器电路中，通常在积分电容Cf两侧并接一个电阻Rf，Rf是积分漂移泄漏电阻，用来防止积分漂流所造成的饱和或截止现象，其值不宜太小，否则将影响线性积分关系。
一般在20千欧至1兆欧之间取值，为了减小误差要求Rf≥10R.
d.选择运算放大器
为了减少运放参数对积分电路输出电压的影响，应选择：
输出失调参数（UIO、IIO、IB）小，开环增益（Auo）和增益带宽积大，输入电阻高的集成运算放大器。
2.2电压比较器电路设计
电压比较器是一种差分放大器，简称比较器。
它用于比较输入的待测电压与参考电压的大小，比较的结果以输出电压的电平高或低表示。
比较器的一种用法，待测电压Vi自同向输入端输入，参考电压VR设置在反向输入端，叫做同向比较器。
理想的同相比较器要求：
在Vi>VR时输出电压陡跳至电源电压允许的最高值，叫做高电平；在Vi若把参考电压设置在同相输入端，待测信号自反相输入端输入，就叫做反相比较器。
理想的反相比较器要求：
在Vi>VR时，输出电压陡跳至低电平；在Vi本设计采用的是单门限比较器电路，其作用是把一路输入信号与电压比较，并输出赋有逻辑意义的脉冲信号。
图2-2给出了一基本单门限比较器。
输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）。
当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平UOH。
反之，输出为低电平。
此电路根据门限电压Vth+和Vth-以及参考电压VR的大小确定R2和Rf的值。
一般为几千欧到几十欧姆。
图2-2电压比较器电路图
2.3电子开关的设计
电子开关采用三极管接成反相器形式，当比较器输出为高电平时，三极管饱和导通，，输出Vi近似为零。
当比较器输出为低电平时，三极管截止，输出近似等于+VCC。
2.4恒流源电路设计
恒流源电路采用开关三极管T，稳压二极管Dz等元件过程，参考电路如下图所示。
图2-3恒流源电路图
图中，Rb,D4及Dz给T提供基极偏置，Re提供射极偏置，与电源构成恒流源电路，T的集电极电流为Ic为恒定电流。
当V1为0时，D2截止，D1导通，所以积分电容C通过三极管T放电；当V1为1时，D1导通，D2截止，输出信号Vi对C充电。
在电压比较器的输出端得到频率fo为的矩形脉冲信号。
在设计恒流源电路是，必须注意负载的变化范围。
设RLmax为负载电阻的最大值，RLmin为负载电阻最小值。
IL为恒流源，则输出电压为
RLmaxIL有上式可以看出，当IL一定时，VO越大，负载电阻允许变化范围就越大。
2.5直流稳压电路设计
直流稳压电源是提供直流电压的电源设备,由电源变压器,整流,滤波,和稳压电路四部分组成,图示为由分立元件组成的串联型稳压电源的电路图,其整流部分为单相桥式整流电路,滤波部分为电容滤波电路,稳压部分为串联稳压电路.
对输入电压的要求,输入电压的选取原则是,在最坏的条件下仍能保证调整管处于放大状态,不能饱和.
对调整管的要求,晶体管的额定电流Icm应大于输出电流.晶体管的耐压应高于输入电压,晶体管的最大允许耗散功率应大于调整管集电极最大功率.
图2-4直流稳压电路
运放F007等组成积分器，TL431等组成电压比较器，T1，Dz等组成恒流源。
当V2的电位高于基准电压，V3为低电平时，T2截止，D2,D3导通，D1截止，这时若输入正的V1，积分器输出V1下降。
当V1下降到使等于基准电压时，V3由低电平变为高电平，T2饱和导通，D2截止，D1导通，为T1提供恒流电流iF，由于iF>i2。
积分器输出电压V1上升，此时因C2的放电端对地开路，C2充电直到Vc2高于门限值时，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fo。
第三章电压/频率转换器整体电路设计
3.1整体电路图及工作原理
3.2电路的参数分析
电源电压为15V.
Vo=0.5（Vz+Vbe）（R1+Rp+R2）/（R2+Rp），
即15=0.5（10+0.7）（0.5+1+1.5）/（0.5+Rp），
解得Rp=0.926千欧。
图3-1整体电路图
根据电路所需，选择R1=20KΩ，且R1=R2=20KΩ，Rf=10R1=200KΩ。
又由时间RC得C1=0.01F，所以若假设Vi=10V,经过积分器有：
Ao1=1/RC∫idt=1/（200*103*0.01*10-6）*[10/（20*103）]=0.25
Ao2=Ao1Rf/R1=Ao1200/20=10Ao1=2.5
f=Vi/RC△V=Vi/（20*103*0.01*10-6*5）=10Vi
3.3整体电路性能分析
电压/频率转换器性能稳定，精度高，其原因在于该电路采用由运放F007和积分电容C组成有源积分电路，这个积分电路将负载输入电压变为正斜坡电压，当积分器输出高于比较器的比较电压时，比较器输入低电平，电子开关处于截止，恒流源的输出电流使积分器的输出急剧下降，当积分器输出低于比较器的比较电压时，斜坡输出电压上升；
线性度好，起原因在于恒流源的一端接在运放器的虚地端，使恒流源总是处在电位上，这样恒流源电流的大小就不再受输入电压的影响，可选择低电压，低失调电流的运算放大器，同时，也要求选择稳定性好，温度系数低的电容。
此电路线性度好，最大非线性失真小于0.01%，变换精度高。
第四章设计总结
电压/频率转换器是将模拟电压信号转换成频率信号。
由于电压/频率转换本身是一积分过程，起转换结果送给计算机是可采用简单的光电耦合，因而具有较强的抗干扰能力。
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。
通过这次课设教会了我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和生活中自己的动手能力。
给我们很大的启发，很有助于我们将来的学习生活和工作。
参考文献
[1]《电子线路》王楚余道衡北京大学出版社
[2]《通用模拟电路》中国计量出版社
[3]《全国大学生电子竞赛训练教程》黄智伟电子工业出版社
附录：
器件清单
序号
名称
规格
数量（个）
1
电阻
20KΩ,620KΩ
18
滑动变阻器
0-1KΩ
1
2
二极管
2CZ54B
4
2CK70
4
3
稳压二极管
2CW12
1
ZDW232
1
4
电容
0.01μF，1μF，47μF,4.7μF
5
5
三极管
3DG6
2
3DK2
2
6
运算放大器
F007
1
TL431
1
升级会员 