电压频率变换器的设计讲解

机械与电子工程学院

课程设计报告

课程名称模拟电子技术课程设计设计题目电压频率变换器

所学专业名称电气信息类

班级电类114班

学号**********

学生姓名王*金

指导教师汪*

2012年12月23日

机电学院模拟电子技术课程设计

任务书

设计名称：电压频率转换器

学生姓名：王*金指导教师：汪*

起止时间：自2012 年12 月10 日起至2012 年12 月25 日止

一、课程设计目的

1).熟悉集成电路及有关电子元器件的使用;

2).了解电压平频率转换器主体电路的组成及工作原理;

3).学习电路中基本电路的应用以及单稳态触发器等综合应用。

二、课程设计任务和基本要求

设计任务：

1）.熟悉和应用比较器的构成及设计方法，尤其是迟滞比较器的应用。

2）.熟悉和应用积分器的构成和设计方法，了解电容在其中的工作原理。

3）.熟悉和简单应用二极管作电子开关的构成和设计方法。

4）.熟悉迟滞比较器与积分器之间的波形转换。

5）.熟悉掌握运用multisim画图、调试和仿真。

基本要求：

1).有明确的设计方案使操作简便易行。

2）.设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波，包括：积分器；电压

比较器。

3）.输入为直流电压0-10V。

4）.输出为f=0-500Hz的矩形波。

5).按规定格式写出课程设计报告书。

机电学院模拟电子技术课程设计指导老师评价表

目录

摘要和关键词 (1)

第一章设计指标 (2)

1.1 设计指标 (2)

◆ 1.1.1设计内容 (2)

◆ 1.1.2设计要求 (2)

第二章系统设计原理及内容 (2)

2.1 设计思想 (2)

电压/频率转换器原理框 (2)

第三章电路各模块方案设计 (3)

3.1 积分器的设计方案 (3)

3.2比较器的设计方案 (4)

◆ 3.2.1电压比较器 (4)

◆ 3.2.2过零比较器 (5)

3.3单稳态触发器 (6)

3.4低通滤波器 (6)

3.5模块的整合 (7)

◆ 3.5.1 电压/频率 (7)

◆ 3.5.2 频率/电压 (7)

第四章结束语 (8)

4.1心得体会 (8)

元件清单 (9)

参考文献 (9)

摘要和关键词

摘要：

本实验是对信号的产生、处理及变换功能电路的设计，在实际生产和操作中有这广泛的应用。本设计是在大二学生学习完《电路》、《电子线路（线性部分）》《信号与系统》等专业课程之后进行的，具有可操作性和应用性，学生能够独立完成。电路信号的转换已经在电子领域中广泛应用，如：采样/保持（S/H）电路、电压比较电路、V/f（电压/频率）转换器、f/V（频率/电压）转换器、V/I（电压/电流）转换器、I/V（电流/电压）转换器、A/D（模/数）转换器、D/A（数/模）转换器等。可以从本实验中学习到更多的电路设计的方法，激发学生的设计兴趣和激情，为以后的学习和工作打下良好大的基础。

关键词：

电压比较电路; V/f; f/V; 电路设计

第一章设计指标

1.1 设计指标

1.1.1设计内容：小信号（100mv）v/f变换

1.1.2设计要求：

1）输入0～100mv小信号电压线性变换成0～10KHz频率输出；

2）设计精度1‰，既误差不超过10Hz；

3）输出波形（脉冲波），脉冲宽度tw=20～40μs。

第二章系统设计原理及内容

2.1 设计思想

电压/频率转换器的输出信号f0与输入电压V的大小成正比，输入控制电压为直流电压。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震荡频率，故可以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，从电压比较器6号引脚输出为矩形脉冲信号，从积分器的6号引脚输出为三角波信号，两者频率相同。将输出信号的电平通过回路，反馈到积分器，控制积分电容放电，同时运用二极管的单向导电性，做成电子开关，当积分器的电容放电到一点数值时，开关二极管作用，电源给电容充电。这样就构成了一个电容反复充电、放电的过程，电路震荡产生波形，并且输入电压的大小决定了电容的充放电的速度，从而进行输出波形频率的改变，达到设计目的。

电压/频率转换器原理框

图如下，图1、2：

图1 电压频率转换器原理图

图2 频率/电压转换器原理图

第三章 电路各模块方案设计

3.1 积分器的设计方案

基本设计方案如下方图3

图3 积分电路

积分电路是实现波形变换、滤波等信号处理功能的基本电路，它可以将周期性的方波电压变换为三角波电压。

当T 导通时，积分电路的等效电路如图4所示，集成运放A 同相输出端的电位为

图4 积分电路的等效电路

4

111

341

3

p R u u u R R =

?=?+ 反相输入端电位11P N u u =。积分电路的输出电压为

()()010*******t u t t u C R u o o +-??

?

??-?-

= 当T 截止时，积分电路的等效电路如图5所示，Up1、Un1不变，仍为3/1u 。积分电路的输出电压为

图5 积分电路的等效电路

积分电路输出波形如下：

图6 积分电路输出波形

()()()()1

1121`211

112112113

2

1311t u t t u C R R t u t t u u C R R u o o o +-?+-=+-??

? ??

-?+-

=

3.2比较器的设计方案

3.2.1电压比较器

如下方图7

图7 电压比较器

比较器的输出电压通过反馈网络加到同相输入端，形成正反馈，待比电压V1较加在反相输入端。比较器虽然有闭合环路，但由于该环路引入的是正反馈，电路增益更高，运放依然属于开环工作。在实际运用中，利用迟滞特性可以有效地克服噪声和干扰的影响。例如，在过零检测器中，若是如正弦电压上叠加噪声和干扰，则由于零值附近多次过零，输出就会出现错误阶跃。采用迟滞比较器，只要噪声和干扰的大小在迟滞宽度内，就不会引起错误的阶跃。

A2构成的是反相输入的滞回比较器，其输出电压Uo 决定于由R7和稳压管Dz 组成的限幅电路，输出高电平V U U OH 62=+=，输出低电平V U U O L 62-=-=，阈值电压TH U 为

Z W

TH U R R R R U ?++±

=±655

，当Rw 的滑动端在最左端时，V U TH 3±=±；当滑动端在左右端时，

V U TH 4.2±=±。 3.2.2过零比较器

图8

图8 过零比较器

过零比较器的工作原理是将输入信号与0V 地电压进比较来判定输出是高电平还是低电平，例如反相输入端输入的过零比较器在输入正弦信号时，在正弦波的正半周时输出为低电平，而在正弦波的负半

周时输出为高电平。这样就把正弦波变成矩形波了，当然它还可以将三角波等波形变换为矩形波。

3.3单稳态触发器

基本设计方案如下方图9

图9 单稳态触发器

1.单稳态触发器只有一个稳定状态，一个暂稳态。

2.在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。

3.由于电路中RC 延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC 的参数值。

3.4低通滤波器

基本设计方案如下方图10

图10 低通滤波器

对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设

备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acoustic barriers）、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving average)所起的作用；低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。

3.5模块的整合

3.5.1 电压/频率

如图11所示为电压/频率转换电路。功能是将直流电压转换成频率与其幅值成正比的矩形波，即用输出矩形波的频来表示输入直流电压的大小，故电路完成了模拟量到数字量的转换。由于输出电压频率收到输入直流电压的控制，故也称之为压控振荡器。

图11 电压/频率转换电路

3.5.2 频率/电压

如图12

图12 频率/电压转换电路

第四章结束语

4.1心得体会

通过这次的课程设计，加强了我的动手能力，提高了我的运用知识解决问题的能力。在本次课程设计中我做的题目是：电压频率转换电路的设计。在整个方案设计中，我运用了模拟电子的相关知识，包括：积分器、迟滞比较器等模块电路。

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。没有知识是从天而降的，没有获得不需要付出。是的，我这学期学习了《模拟电子技术基础》的知识，但是知识繁多，在课堂上不能一一弄懂、弄精，这一次的课程设计给了我机会，让我更加深刻的对模电知识有了深刻的学习和认识。在我拿到题目时，当时我觉得这题目很简单，没有什么大不了的，不就是一个电压频率的转换器带电路嘛，还能难住我？但在这两个星期的设计过程中，我面红耳赤，惭愧的无地自容，刚开始我连积分器如何使用，如何与比较器进行耦合构成压控振荡器的这样的知识都不了解！

再后来我静下心来决定好好的学习学习，亡羊补牢，为时不晚啊。我去了图书馆进行资料的查阅，整整一天什么事都没有做就在图书馆四楼理工阅览室查阅资料。随着我研究、思考的深入，对不明白的

原理和方法渐渐的弄清楚之后，我开始了电路图的设计，心理不免有点小小的成就感。可在设计的过程中有出现了新的问题：能够设计出无源的方波振荡器，可就是如何加入电源，使之成为一个压控振荡器呢！我又一次的进入了迷茫之中……

继续图书馆查阅资料，随着思考的越来越深入，突然在一天午觉时，终于有了顿悟：对，做一个开关，导通时电容放电，不导通时，电容充电，而电容的充电速度的快慢将直接控制输出方波的频率的改变，同时电容的充电速度直接由外接电源来解决！想到这里，我的整个设计思路和框图已经完全出来，万事具备就欠东风啦！我无比的兴奋、激动，为我自己感到高兴，成就感油然而生……

接下来就进入了电路图的绘制阶段，值得庆幸的是在这次课程设计之前，我就已经学会了使用电子绘图和仿真软件multisim。在绘图和仿真阶段，进行的相当的顺利，对电阻和电容数值的调试也是很顺利的。

设计过程如一条蜿蜒曲折的小径，你永远不知道下一个拐弯后有什么等待这你。这一次的课程设计的全过程，让我体会到的是设计的艰辛，但更多的是在设计过程中发现问题、解决问题的喜悦，我开始越来越喜欢上电子设计了。

元件清单

1).多功能电子电路试验箱

2).3V稳压二极管

3).普通二极管

4).三极管

5).各种电阻

6).电容

7).UA741CD

8).LM555CM

9).12V直流电源等等

参考文献

【1】谢嘉奎主编，电子线路线性部分（第四版），高等教育出版社，1999

【2】翁飞兵陈棣湘主编，电子技术实践教程，国防科技大学出版社，2003

【3】毕满清主编，电子技术实验与课程设计，机械工业出版社， 2006

【4】何光明主编，电子技术基础（模拟部分），清华大学出版社， 2004

【5】李万臣主编，模拟电子技术基础设计仿真编程与实践，哈尔滨工业大学出版社，2005

【6】彭介华主编，电子技术课程设计指导，高等教育出版社， 1996

【7】编写委员会，中国集成电路大全，国防工业出版社， 1985