线性电压频率变换电路的设计说明书.docx
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线性电压频率变换电路的设计说明书
1技术指标1
2设计方案及其比较1
2.1方案一1
2.2方案二2
2.3方案比较3
3实现方案4
3.1NE555集成电路的内部结构及功能4
3.2运算放大器的内部结构及功能7
3.3实现方案原理8
4调试过程及结论9
4.1电路的连接9
4.2电路的调试10
4.3结论10
5心得体会12
6参考文献13
线性电压频率变换电路的设计
1技术指标
设计实现输入电压在0~2V之间实现电压与频率的线性变换;使输入信号直流电压和输出信号频率之间参数满足一定比例关系（具体比例关系调试电路时由指导教师给定）;要求实现占空比可调的输出信号｡
2设计方案及其比较
2.1方案一
如图1所示
图1V/F转换电路
这是由运算放大器组成的V/F转换电路｡电路包括积分器､比较器和积分复原开关等｡其中由A2､R5~R8组成的滞回比较器的正向输入端两个门限电平为
U1=-UR7/（R6+R7）+UzR6/（R6+R7）
U2=-UR7/（R6+R7）-UzR6/（R6+R7）
式中Uz为输出限幅电压,其大小由稳压管Vs2的稳压值所决定｡
当输入信号ui=0时,A1组成的积分器输出uc为0,由比较器特性可知,此时比较器输出uo为负向限幅电压-Uz,开关管T截止,比较器同相端电压up为负向门限电平U2｡
当输入ui>0,积分器输出电压uc负向增加,uc≥U2时,比较器输出uo由负向限幅电压突变为正向限幅电压,驱动开关管T由截止变为导通,致使积分电容C通过R3放电,积分器输出迅速回升｡同时,uo通过正反馈电路使比较器同相端电压up突变为U1,从而锁住比较器的输出状态不随积分器输出回升而立即翻转｡当积分器输出回升到uc≥U1时,比较器输出又由正向限幅电压突变为负向限幅电压,T又处于截止状态,同时up恢复为U2,积分器重新开始积分｡如此循环不止,因而积分器输出一串负向锯齿波电压,比较器输出相应频率的矩形脉冲序列｡输入电压越大,积分电容C充电电流及锯齿波电压的斜率就越大,因此每次达到负向门限电压U2的时间也越短,输出脉冲的频率就越高｡可知
fo=1/T≈ui/R1C（U1-U2）
2.2方案二
图2为集成电路LM331的内部结构,其外形采用8脚DIP封装结构｡
图2LM331内部结构
LM331的管脚功能说明:
1为电流输入,2为参考电压,3为逻辑输出,4接地,5接RC定时器,6为阈值输入,7接比较器输入,8接电源｡
LM331的性能特点:
1.最大线性度:
0.01%;
2.双电源或单电源供电;
3.脉冲输出与所有逻辑形式兼容;
4.最佳温度稳定性:
最大值为±50×10-6/℃;
5.功耗低:
5V以下典型值为15mW;
6.宽的动态范围:
10kHz满量程频率下最小值为100Db;
7.满量程频率范围:
1Hz~100Hz｡
如图3所示,为LM331组成的V/F转换电路
图3LM331组成的V/F转换基本电路
如上图所示,输出信号的频率fo与输入电压信号ui严格成正比｡
fo=uiRs/2.09R1RtCt
其中Rt,Ct是5号端所接积分电路的电阻和电容,Rs是2号端所接接地电阻,ui,R1分别是输入电压和输入电阻｡改变Rs的值,可调节电路的转换增益,即改变V,F之间的线性比例关系｡Rt,Ct,Rs,RL选用低温漂的稳定元件,C1=0.1uF或1uF,CL要选漏电流小的电容器｡RL与CL组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,有利于提高转换精度｡
2.3方案比较
第一种方案是用两个OP07运算放大器来实现的,其中OP071组成一个积分器,得到一串负的锯齿波电压,OP072组成一个滞回比较器,得到矩形波,再通过电子开关（即三极管的导通与截止）来实现循环｡方案一中的周期包括两项:
第一项由输入电压对电容C的充电过程决定,F-V关系是线性的;第二项为一常数,它的大小由C得放电过程决定,是给F-V关系带来非线性的因素｡在计算过程中,我们一般都是把第二项省略掉的,这样得到的F-V关系就有比较大的误差｡
第二种方案用到了集成芯片LM331,其外接电路比较简单简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F变换电路,并且容易保证转换精度｡它的性价比很高,动态范围宽,线性度好,变换精度高,是个不错的选择｡相对于方案一来说,方案二在各方面都有优势｡
3实现方案
3.1NE555集成电路的内部结构及功能
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号,555系列IC的接脚功能及运用都是相容的,只是型号不同的因其价格不同其稳定度､省电､可产生的振荡频率也不大相同;而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC,只需少数的电阻和电容,便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号｡
NE555的特点有:
1.只需简单的电阻器､电容器,即可完成特定的振荡延时作用｡其延时范围极广,可由几微秒至几小时之久｡
2.它的操作电源电压范围极大,可与TTL,CMOS等逻辑电路配合,也就是它的输出准位及输入触发准位,均能与这些逻辑系列的高､低态组合｡
3.其输出端的供给电流大,可直接推动多种自动控制的负载｡
4.它的计时精确度高､温度稳定度佳,且价格便宜｡
参数功能特性:
供应电压4.5~18V
供应电流3~6mA
输出电流225mA
上升下降时间100ns
NE555的管脚分布图如图4所示
图4NE555管脚图
其中各管脚功能为:
1（接地）-地线（或共同接地）,通常被连接到电路共同接地｡
2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期｡触发信号上缘电压须大于2/3VCC,下缘须低于1/3VCC｡
3（输出）-当时间周期开始,555的输出脚位移至比电源电压少1.7伏的高电位｡周期的结束输出回到0伏左右的低电位｡于高电位时的最大输出电流大约200mA｡
4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位｡它通常被接到正电源或忽略不用｡
5（控制）-这个接脚允许由外部电压改变触发和闸限电压｡当计时器工作在稳定或振荡的状态下时,这输入能用来改变或调整输出频率｡
6（重置锁定）–接脚6重置锁定并使输出呈低态｡当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作｡
7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力,当输出为ON时为LOW,对地为低阻抗,当输出为OFF时为HIGH,对地为高阻抗｡
8（V+）-这是555计时器IC的正电源电压端｡供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）｡
NE555的内部结构如图5所示
图5NE555集成电路内部结构
NE555的逻辑功能表:
表1NE555集成电路的逻辑功能
输入
输出
阈值输入
触发输入
复位
输出
放电管
*
*
0
0
导通
1
1
截止
>Vcc/2
>Vcc/3
1
0
导通
>Vcc/3
1
不变
不变
3.2运算放大器的内部结构及功能
OP07芯片是一种低噪声,非斩波稳零的单运算放大器集成电路｡由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV）,所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施｡OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点,这种低失调､高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面｡
OP07的特点:
超低偏移:
150μV最大｡
低输入偏置电流:
1.8nA｡
低失调电压漂移:
0.5μV/℃｡
超稳定,时间:
2μV/month最大
高电源电压范围:
±3V至±22V
OP07内部结构原理图如图6所示
图6OP07内部结构原理图
OP07管脚分布图如图7所示
图7OP07管脚图
OP07芯片引脚功能说明:
1和8为偏置平衡（调零端）,2为反向输入端,3为正向输入端,4接地,5空脚6为输出,7接电源正极｡
3.3实现方案原理
如图8所示,为本次设计的实现方案
图8V/F转换实现电路
工作原理:
如上图所示,电路由OP07运放器组成的积分器和NE555定时器组成的单稳态触发器两部分组成｡OP07的输出端与NE555的2脚相连,当OP07的输出放电至NE555的1/3Vdd时,NE555置位,3脚输出高电平,使与之相连的OP07的同相输入端进行同相积分,OP07同相输入端电压Vp呈直线增长｡到NE555的单稳态结束时,3脚输出低电平,作用到OP07的同相端,此时同相端电压Vp线性下降,当到达1/3Vdd
时,NE555再次被触发｡于是由此循环,形成具有一定频率的震荡脉冲｡我们要注意当输入电压ui小于1/2Vdd时,才会有好的线性｡输出频率fo与输入电压ui之间的关系为:
fo=ui/R1C1Vpp
其中Vpp为积分电路输出电压波形的峰峰值｡
表2V/F转换电路元件数据参考表
4调试过程及结论
4.1电路的连接
根据老师所给的电路原理图,从表2中选择一组数据,选择适当的电路元件,在面包板上进行布线｡在布线过程中,应使导线不要交叉,不要弯曲连接,不要飞线,要使导线紧贴着面包板表面｡要牢固掌握面包板哪些插孔是连通的,以免布线时出错｡
整体布线图如下图9所示｡
图9整体布线图
4.2电路的调试
连接好电路后,按照要求连接好电源与示波器,开始调试｡若发现结果与理论相差甚远,不符合要求,就可以用万用表来检查电路,通过测出各点的电压,电流等,与原理进行比对,由实际测得的数值与理论上的数值的比较,即可分析出电路哪些地方有错误,从而进行改正,直到结果正确｡同时,应该要检查仪器是否是正常工作的,因为有些仪器可能出现接触不良的现象,所以,应该多测几次｡
4.3结论
连接电路时,我选的是表2中的第二组数据（100Hz/V）,通过改变输入电压ui,即可实现占空比的变化｡实际电阻测量的阻值为:
R1=220kΩ,R2=220kΩ,R3=21.6kΩ,R4=990Ω.以下是我在调试过程中记录的数据和作出的一条曲线,可看出V-F几乎是线性关系｡
在读数的时候,因为频率太小,示波器不能显示,故会产生一定误差,但大体上V-F是满足线性关系的｡
ui（V）
3.1
3.5
3.9
4.5
4.9
5.4
5.8
Fo（Hz）
125.6
142.9
158.7
183.2
199.2
213.7
233.6
Vpp（mV）
840
760
700
640
620
600
520
表3调试数据记录表
图9电压-频率关系图
输出波形图如图10所示｡
图10输出波形图
5心得体会
这次的课程设计主要任务是电压与频率的转换,运用所学《数字电子技术基础》课本上的相关知识,以555芯片为基础,以集成运放为辅助作用,实现电压频率转换的正常运行｡此次课程设计是进入大学以来继模电课设之后的第二次课程设计,经过前一次课程设计的锻炼,这次课设在心理上已有所准备｡在老师所给的题目中,我选择了线性电压频率变换电路的设计｡起初拿到题目后也有些茫然,不知道从何下手,在老师给出任务书后,便了解了设计目的及任务,发现实验原理还是比较简单的,在我们刚刚学过的数电课中都能找到相关的理论,且课本中很多模型都可以借鉴｡除此之外,我还上网查找了部分相关资料｡与模电课本上的模型进行整合后,设计了
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