电压频率转换电路.docx
《电压频率转换电路.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电压频率转换电路.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电压频率转换电路
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：
赖新
学 号：
090802016
指导教师：
曾祥华
设计时间：
二0一一年一月一日
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
①将输入的直流电压（10组以上正电压）转换成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（±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；
当uO=UOH时，S闭合，当uO=UOL时，S断开。
当uO=UOL时，S断开，积分器对输入电流iI积分，且iI=uI/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，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T≈T1。
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。
电荷平衡式电路：
电流源I对电容C在很短时间放电的电荷量等于iI在较长时间充电的电荷量。
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。
工作原理：
设输出电压uO为高电平UOH时S断开，uO为低电平UOL时S闭合。
当电源接通后，由于电容C上电压为零，即uO1=0，使uO=UOH，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，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，精度高，且电路简单、元器件较常见、能容易获得。
故采用方案一—电荷平衡式电路。
三、单元电路设计与参数计算
（一）±12V直流稳压电源
根据其设计流程图：
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：
由于要产生±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：
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。
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τ>>tp，电容缓慢充电，其上的电压在整个脉冲持续时间缓慢增长，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τ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：
uo=−1/RC∫uidt
设置R=10kΩ，C=1μF
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。
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UI从零逐渐增大，且U≤+UT时，Uo=+Uz，+UT称为上限阀值电平。
当输入电压Ui=+UT，Uo=-Uz。
--UT称为下限阀值电平。
当Ui逐渐减小，且Ui=--UT以前，Uo始终等于-Uz，因此出现了如图所示的滞回特性曲线：
回差电压
：
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—频率转换电路
（2）桥式整流电容滤波集成稳压块±12V直流电源
元器件清单如下：
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
R1、R2、R4、R7
10K
4
0.1元
U1、U2
UA741
2
0.8元
C2、C6、C7
1UF
3
0.5元
R5、R3、R8
1K
3
0.1元
R6
2K
1
0.1元
D1
1N4007
7
0.1元
D4、D5
6．2V
2
0.1元
Tr
15V
1
9元
T1
LM7812
1
1.2元
T2
LM7912
1
1.2元
D2、D3
2
0.3元
C1、C3
3300uF
2
0.2元
C4、C5
0.1uF
2
0.2元
C8、C9
220uF
2
0.2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，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。
Ⅱ、电压—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，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；
Ⅱ、直流源数据处理及误差分析：
数据处理：
理论值：
变压器的副边电压：
U2+=+15VU2-=-15V；
滤波输出电压：
Uo+=+18VUo-=-18V；
稳压输入电压：
Uo+=+18VUo-=-18V；
稳压后输出电压：
Uo+=+12VUo-=-12V。
变压器副边：
η1=|14.8-15|/15×100%=1.33%
滤波输出（稳压输入）：
η2＝|17.8-18|/18×100%=1.11%
η3＝|-17.9+18|/18×100%=0.56%
稳压电压：
η4=|11.9-12|/12×100%=0.83%
η5=|-12.0+12|/12×100%=0
（二）电压—频率转换电路性能测试与分析
Ⅰ、电压—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
Ⅱ、电压—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
1
1
781
806
25
3.10%
2
2
1574
1613
39
2.42%
3
2.5
1991
2016
25
1.24%
4
3
2388
2419
31
1.28%
5
.3.5
2738
2823
85
3.01%
6
4
3141
3226
85
2.63%
7
4.5
3538
3629
91
2.51%
8
5
3985
4032
47
1.17%
9
6
4685
4839
154
3.18%
10
7
5452
5645
193
3.42%
（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，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围，f与
是成正比的关系，f随
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，科学技术（2009）
2、《电子线路设计、实验、测试》（第四版），罗杰，谢自美主编，电子工业（2009）
3、《电子技术课程设计指导》，彭介华主编，高等教育（2000）
4、《电子技术基础实验研究与设计》，兆仁主编，电子工业（2000）
5、《毕满清主编，电子技术实验与课程设计》， 机械工业。
6、《用万用表检测电子元器件》，杜龙林编，科学技术（2001）
7、《新型集成电路的应用》，梁宗善，华中理工大学（2001）
8、《新颖实用电子设计与制作》，振江等编，电子科大（2000）。
物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩评定表
专业：
电子信息工程班级：
09电信本学号：
：
课题名称
设计任务与要求
设计报告成绩
评分标准：
有合理的方案设计和论证、电路参数的计算、总原理图和清单。
（0-20分）
电路板制作、调试规，有详细制作和调试过程。
（0-10分）
电路板测试合理，对性能指标测试数据完整，正确；进行数据处理规，进行了误差计算和误差分析。
（0-15分）
对课程设计进行了总结，有体会，并能提出设计的改进、建设性意见。
（0-5分）
设计报告成绩：
电子
作品成绩
评分标准：
电路正确，能完成设计要求提出的基本功能。
（0-30分）
电路板焊接工艺规，焊点均匀，布局合理。
（0-20分）
（其中直流电源部分占20%，功能部分80%）
电子作品成绩：
课程设计成绩
总成绩：
指导教师：
2011年1月15日
升级会员 