电压频率变换器剖析.docx

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电压频率变换器剖析

课程设计说明书

课程名称：

模拟电子技术课程设计

题目：

电压/频率变换器

学生姓名：

专业：

班级：

学号：

指导教师：

日期：

年月日

电压/频率变换器

一、设计任务与要求

说明：

电压/频率变换电路实质上是一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器。

主要技术指标与要求：

（1）设计一种电压/频率变换电路，输入υI为直流电压（控制信号），输出频率为ƒO的矩形脉冲，且

υI。

（2）υI变化范围：

0～10V。

（3）ƒO变化范围：

0～10kHz

（4）转换精度<1%.

二、方案设计与论证

Vi

积分器单稳态触发器电子开关

图1电压/频率变换器总体框架图

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。

方案一、电压频率变换器的输出信号频率f0与输入电压vi的大小成正比，输入控制电压v1常为直流电压，可以根据要求选用脉冲信号作为控制电压。

其输出信号可为正弦波或者脉冲波形电压。

利用输入电压的大小改变电容器的充电速度，从而改变振荡电路的振荡频率，可以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，当电容放电到某一定值时，电容再次充电。

所以，输出脉冲信号的频率决定于电容的充放电速度，即决定于vi值的大小，从而就实现电压频率变换。

三、单元电路设计与参数计算

1、积分器的设计

 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。

具体电路如下：

图2积分器设计

2、单稳态触发器的设计

单稳态触发器采用555元件一个外接电阻R和电容C元件构成的定时网络。

假设当电源VDD加上后置位端CUT无触发信号即在稳定状态,输出V0为低电平,触发器输出电平,定时器电容C上的电压VC=0由于555的TRI、GND脚短接,故上比较器A1的反相端和下比较器A2的同向端分别偏置在32VDD和31VDD处这个电位就是比较器翻转与否的门限电压值.当CUT端加进低于负向脉冲时,下比较器A2输出为高电平”1”.触发器被置位.输出为低电平.同时555的输出端（THR脚）变为高电平即V0=1,此时,电路处于置位阶段,进入暂稳态,当CUT端的输出脉冲消失后,下比较器A2虽然输出为”0”,但触发器输出仍保持不变.故555的输出端仍为高电平”1”.而在暂稳期间,VDD同点R4对电容器C2充电，电容C2上的电压呈指数形上升,当C上电压充至32VDD时,即上较A1的同向端近到32VDD时,A1输出为高电平”1”,触发器复位,且输出变为高电平”1”,电容C上的电荷迅速放电到低电平”0”.电路又复原到稳态.

单稳态触发器工作特点是：

第一、它有一个稳定状态和暂稳状态；第二、在外来触发脉冲作用下，可从稳定状态翻转到暂稳态，此时开关截止输出电压为Vdd；第三、经过一段时间后又自行回到稳定状态。

暂稳状态时间的长短，与触发器脉冲无关，仅决定于电路本身的参数或者电路的阈值电压以外接R、C参数有关，单稳态触发器输出的脉冲宽度仅决定于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节脉冲宽度，采用积分器作为输入电路，积分器是输出信号去控制单稳态触发器，那样就可以得到矩形脉冲的输出。

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。

图3单稳态触发器

3、电子开关设计

电子开关采用开关三极管接成反向器形式，当触发器的输出为高电平时，三极管饱和导通，输出近似为0，当触发器输出为低电平时，三极管截止，输出近似等于+Vcc。

图4电子开关

4、恒流源电路设计

恒流源是输出电流保持恒定的电流源，而理想的恒流源应该具有以下的特点：

第一、不因负载输出（输出电压）变化而变化；第二、不因环境温度变化而变化；第三、内存可以为无限大（以使其电流可以全部流到外面）。

基本的恒流源电路主要是由输入极和输出极构成，输入极提供参考电压，输出极输出需要的恒定电流。

恒流源电路具有输出电流恒定、温度稳定性好、直流电阻很小但等效交流输出电阻却和大的特点。

恒流范围大致为1uA-20A。

它既可以为各种发大电路提供偏流以稳定器静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高发大倍数，并且在差动发大电路和脉冲产生电路中也得到广泛的应用，在本题目中就是利用脉冲产生电路。

恒流源采用开关三极管T和稳压二极管Dz等组件构成的，其具体的电路如下所示，当V为0时，D4和D5截止，D3导通，所以积分电容就通过三极管T放点，当V等于1V时，D4和D5处于导通的状态，D3就截止，输入信号对积分电路充电。

在单稳态触发器的输出端就得到矩形脉冲。

电路图如下：

图5恒流源电路设计

四、总原理图及元器件清单

1．总原理图

图6总原理图

2．元件清单

元件序号

型号

主要参数

数量

备注

R1

RES

20K

3

R3

RES

10K

2

R4

RES

6.2K

1

R7

RES

22K

1

R8

RES

4.3K

1

R9

RES

22K

1

R9

RES

100K

1

R10

RES

4.7K

1

C1

CAP

0.025uF

1

C2

CAP

10nF

1

C3

CAP

1nF

1

D

DIODE

5

D6

1N4735A

1

Q

2N2222A

1

U2A

LT1014A

1

U1

555

1

BAT1

CELL

15V

1

五、安装与调试

根据题目要求结合电路图，输入与输出关系Vi∝f0，题目要求输入电压的范围为1~10V，而输出频率要求为1~10KHZ，所以该VFC电路需有1khz/v 的换系数。

输入有信号电压Vin即积分器电路输入信号控制单稳态触发器时，积分电容充电，积分器输出下降，当降至触发器的触发电平（1/3Vcc），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。

（1）、积分器相关计算：

首先假设电容正向充电占总脉冲的0.5当输入端输入电压为1V时，整个积分电路输出端的输出电压变化差值为1V，则由积分电路公式

可得：

-1V=

*1V*0.5*T                   

其中T=1/f=1.0*10-3

可得：

R2*C1=0.5*10-3，

令C1=0.025Uf

现电路中R5*0.025uF=0.5*10-3，符合计算得到的结果：

R2=20千欧

（2）、单稳态触发器相关计算：

输出脉冲的宽度Tw等于暂稳态的持续时间,而暂稳态的持续时间长短又取决于定时元件R和C的大小.要输出10Khz的方波,则：

Tw=T/2=1/10000=0.05ms,

而Tw=R8C3ln3=1.1*R8*C3，取C3=1000Pf,可求出R8约为43千欧.

按照电路图可知：

电容的放电的时间为：

Tw=（2/3VCC-0）/（Vi*R1*C1）

由上面可以知道：

C1=0.025Uf

Tw=T/2=1/10000=0.05ms,

可以得到：

R1=20千欧

六、性能测试与分析（写仿真调试与分析）

输入不同的Vi，波形不同，继而反应出频率的变化，如：

（1）Vi=1V时：

图7

从图上可知：

T=962.50us，

而根据f=1/T可知：

f=1.03KHz

（2）Vi=2V时：

图8

从图上可知：

T=484.00us，

而根据f=1/T可知：

f=2.04KHz

（3）Vi=3V时：

图9

从图上可知：

T=319.00us，

而根据f=1/T可知：

f=3.13KHz

（4）Vi=4V时：

图10

从图上可知：

T=242.00us，

而根据f=1/T可知：

f=4.13KHz

（5）Vi=5V时：

图11

从图上可知：

T=192.67us，

而根据f=1/T可知：

f=5.10KHz

（6）Vi=6V时：

图12

从图上可知：

T=158.68us，

而根据f=1/T可知：

f=6.04KHz

（7）Vi=7V时：

图13

从图上可知：

T=141.68us，

而根据f=1/T可知：

f=7.02KHz

（8）Vi=8V时：

图14

从图上可知：

T=121.84us，

而根据f=1/T可知：

f=8.01KHz

（9）Vi=9V时：

图15

从图上可知：

T=110.51us，

而根据f=1/T可知：

f=9.09KHz

（10）Vi=10V时：

图16

从图上可知：

T=96.34us，

而根据f=1/T可知：

f=10.20KHz

综合上面所给出的数据，列出了整体表格

输入电压Vi/v

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

充电时间T/us

962.50

484.00

319.00

242.00

192.67

158.68

141.68

121.84

110.51

96.34

频率f/KHz

1.03

2.03

3.13

4.13

5.10

6.04

7.02

8.01

9.09

10.2

七、结论与心得

本次的课程设计，我所设计的是电压频率变换器。

通过这次课程设计让我学习到了很大东西，了解了更多模拟电路的知识，认识到理论和实践还是有很大的差别，同时为今后的学习和工作打下了坚实的基础。

在起初看到这个课题的时候，我不知从何下手，感觉所学知识派不上用场，更不知如何应用到实践中来。

虽然不知所措，但经过多日在图书馆的查找资料和在网上查找资料，对整体的框架有了初步的了解和认识。

在确定了整体的框架后，我在参数确定上遇到了很大的困难，仅仅一个参数的确定和调试就花了我将近两天的时间，不过最后我还是克服困难完成了这一难题。

参数确定之后，由于在画图的时候不是很细心，画错了好多地方，检查好多次都没有能够完全把它改正，最后还是我请教同学，让其帮我搞定的，其实就一点错误，这个错误让我意识到做什么事一定要细心。

在这次课程设计中由于知识量小，遇到了一些困难，但最终还是完成了本次课程设计。

虽然过程有点艰辛，但是能够将自己所学应用而做成有用的东西，心里还是很高兴，由于一开始的毫无头绪，到一步步应用只是去解决问题，感觉很有成就感。

总之，通过本次模拟电路的课程设计，让我受益匪浅。

不仅让我在课堂上所学的知识得到了应用，同时在实践设计中使我学到的知识得到了更好的理解和掌握，更重要的是让我掌握了一些课本上没有的知识，通过我自己的学习和研究从而对电压频率转换器结构有了比较深刻的了解，让我对电子这一学科产生了更加浓厚的兴趣。

通过这次课程设计更加培养了我的自学能力与钻研的精神，使我自己的实践能力有了进一步的提高，增加了将自己所学知识更好的应用于实际的信心。

同时让我对Proutues这个软件有了进一步的学习，使我对它有了更进一步的了解和掌握。

八、参考文献

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