电压频率转化器.docx
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电压频率转化器
2012~2013学年第二学期
《模拟电子技术》
课程设计报告
题目：
电压/频率转换器
专业：
电子信息工程
班级：
一班
姓名：
鲍家明、文、董彬彬、耿王鑫、
小飞、凌志、石大热、王劲松
指导教师：
倪琳
电气工程系
2011年6月5日
1、任务书
课题名称
指导教师（职称）
执行时间
~学年第学期第周
学生
学号
承担任务
鲍家明
积分器设计
文
1109121003
积分器设计
耿王鑫
1109121011
单稳态触发器设计
小飞
1109121018
单稳态触发器设计
凌志
1109121020
恒流电路设计
石大热
1109121026
恒流电路设计
王劲松
1109121034
电子开关设计
董彬彬
1109121006
电路的仿真
设计目的
1、掌握电压/频率变换器的设计方法；
2、熟悉集成运放的应用。
设计要求
1、技术指标：
设计一个电压/频率变换电路，其主要技术指标如下：
（1）输出直流VI，输出额定频率为fo的矩形波，且fo∝VI；
（2）VI变化围：
0～12V；
（3）fo变化围：
0～10KHz；
摘要3
前言4
第一章、设计思路及原理框图的设计5
1、设计思路5
2、原理框图5
3、电路图5
第二章、电压频率转换器各模块设计7
1、积分器的设计7
3、电子开关设计8
4、恒流源电路设计8
第三章、理论计算10
1、元件主要参数如下10
2、基本计算10
第四章、电路的仿真11
1、输入电压为1V时11
2、输入电压为5V时11
3、输入电压为10V时12
第五章、结束语13
1、收获与体会13
摘要
设计高精度电压转换器，可以利用LM324运算放大器与555定时器为核心器件的高精度线性电压频率转换器。
整个电路主要是由稳定电压源模块、信号输入模块、恒流源模块、输入信号变换模块、以555定时器为核心的压频转换模块等5个模块组成的。
本设计方案温漂小、抗干扰能力强、价格便宜、线性度较好、而且变换精度高。
关键词：
555定时器；线性；电压频率转换
前言
电压频率转换器VFC（VoltageFrequencyConverter）是一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。
电压频率转换器也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。
随电压—频率转换实际上是一种模拟量和数字量之间的转换技术。
当模拟信号（电压或电流）转换为数字信号时，转换器的输出是一串频率正比于模拟信号幅值的矩形波，显然数据是串行的。
这与目前通用的模数转换器并行输出不同，然而其分辨率却可以很高。
串行输出的模数转换在数字控制系统中很有用，它可以把模拟量误差信号变成与之成正比的脉冲信号，以驱动步进式伺服机构用来精密控制。
随着现代电子技术渐渐的向着大规模的数字集成电路发展，面对大量的连续变化模拟量例如幅度的变化。
难以对其直接分析，但可以先将模拟量转换成数字量，再在研究中都对数字信号（0和1）的直接处理分析的方法，这就需要将信号由模拟到数字进行变换。
而本设计‘高精度电压转换器’既：
电压—频率转换。
其过程即实现了由模拟量到数字量的转换。
在进行数模转换过程中，可以应用的芯片很多，如AD0809、AD574A、LM331等都可以实现数模转换。
但人们发现芯片一般输出都是并行输出（独立、同时、同步），但一般的电路对信号的处理都是串行的。
但运用电压转换为频率就解决了数模的转换，同时又可以输出串行信号，几乎完全可以替代AD芯片的作用。
另外相对于电压，一个信号的频率更为稳定。
大家发现通过讲电压先转换为频率，再测量其频率值，从而即可得到电压的幅度值。
所以在测量中不管信号的幅度值有多大，都可以只考虑其转换后所得到的较之更为稳定的频率来代替直接对信号的分析，这样得到的结果精度会更高。
第一章、设计思路及原理框图的设计
1、设计思路
电压/频率变换器的输入信号频率f。
与输入电压Vi的大小成正比，输入控制电压Vi常为直流电压，也可根据要求选用脉冲信号做为控制电压，其输出信号可为正弦波或者脉冲波形电压。
本设计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
2、原理框图
3、电路图
第二章、电压频率转换器各模块设计
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
2、单稳态触发器设计
单稳态触发器采用 555 定时器构成的单稳电路。
具体电路如下：
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。
4、恒流源电路设计
恒流源电路可采用开关三极管T，稳压二极管Dz等元件构成。
具体电路如下所示。
当V1’为0时，D2，D3截止，D4导通，所以积分电容通过二极管放电。
当V1’为1时，D2，D3导通，D4截止，输入信号对积分电容充电。
在单稳态触发器的输出端得到矩形脉冲
第三章、理论计算
1、元件主要参数如下
2、基本计算
根据题目要求结合电路图，输入与输出关系Vi∝f0，题目要求输入电压围为1~12V，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时，积分电容充电，积分器输出下降，当电压降至触发器的触发电平（〈1/3Vcc），555置位，输出高电平，使得积分电容通过恒流源反向充电；当电容C2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。
因为单稳态电路的充电时间tw=1.1*R9*C3,选取R9为43k,C3为1000p，确定充电时间约为0.05ms。
根据所采用的恒流源电路及参数设置以及输入电压与输出频率的关系，可确定恒流源对积分电容反向充电时间，由于积分电路Uo=（-Ui/R1*C1）t,从而确定C1=0.1uf，R1=20K。
第四章、电路的仿真
1、输入电压为1V时
2、输入电压为5V时
3、输入电压为10V时
第五章、结束语
1、收获与体会
两周的课程设计，相较于之前所作的数电课程设计，此次更增加了自己的动手实践能力。
理论与实践还是有一定的差距的，在理论上不管多精确的数据，一旦用于实际中，就不得不考虑其仪器，器件的误差，以及自己操作上的能力。
而且，比起以往只要照着电路连线做实验，这次更添加了自己的思考，该选择怎样的电阻，电容，想要修改最后的输出，应该在什么地方做改变。
虽然是一些很基础的东西，但仅仅是书上的理论学习，会让人对知识遗忘得比较快，相反，通过自己动手实践过的东西，会更加记忆深刻。
看着自己连接出来的电路，并且系统是活的。
【参考文献】
模拟电子技术基础华成英童诗白主编清华大学电子学教研组编
答辩记录及评分表
课题名称
电压/频率转换器
答辩教师（职称）
倪琳
答辩时间
2012~2013学年第二学期第15周
答
辩
记
录
1、由电压的变化怎样得到的频率变化?
答：
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，
2、积分器作为输入电路是怎样起的作用?
答：
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。
3、电子开关为什么采用三极管的形式?
答：
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,从而由不同的输入来影响输出.
4、输出波形极其宽,无论怎么改变输入信号频率几乎不变的原因是什么?
答：
反向积分电路的电容取值过大,使得充电时间过长导致的.
评分表
学生
学号
评分
鲍家明
1109121001
文
1109121003
董彬彬
1109121006
耿王鑫
1109121011
小飞
1109121018
凌志
1109121020
石大热
1109121026
王劲松
1109121034
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