模电课设电压频率变换器

1、辽宁工业大学模拟电子技术基础课程设计（论文）题目：电压 /频率变换器院（系）： 电子与信息工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名：指导教师： （签字） 起止时间：本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室： 电子信息工程号 学课程设计（论文）题目器 换 变 率 频 压 电课程设计（论文）任务脉 。 设 右 形脉 案 个设 进右 矩 。 环 、 方 逐 左 的矩 1% 用 简 行 逐 用左 f0 应 繁 可 采用 度 及 的 定 ， 采 为 精 标 构 敲 路 率 换 指 结 ， 电 ， 频 转 、 、 源 元 向 出 ） 能 性 来 单 流 输 4

2、性 进 的 或 的 ， 。（ 、 先 件 统 号 。 ） Hz 求 。 的 器 系 信 号 k 要 图 路 虑 子 按 荡器 信 10 题 框 电 考 干 是 振 制 0 课 构 以 并 若 常 的振 控 ： 析 结 ， 成 通 （ 分 制 较 ， 解 ， 变化 压 范围 细 绘 比 较 分 局 。 变 电 范 仔 ， 行 比 ， 布 明 电压 源。 流 变化 须 案 进 合 零 理 说 制电 电源 直 变0 必 方 案 综 为 合 的 控制 压电 为 f） 。 体 方 作 整 上 要 加控 稳压 Vi 3） 标 总 种 面 化 纸 必 外 流 。（ 指 种 各 方 案 图 出 随外 直流 入

3、 0。 能 各 对 等 方 的 标 随 直 输 1 性 出 。 易 体 面 并 频率 需的 器 0 确 思 案 难 总 幅 ， 荡频 所需 换 ： 明 构 方 的 。 定 路 荡 所 变。 围 ， ， 体 作 路 一 电 种振 大器 率 vi。 范 求 路 总 制 电 在 各 一种 放大 频 v 化 要 思 的 及 元 。 放 ： 计 计 压 0 变 ： 计 开 理 低 单 统 摆 数 设计 设计 电压 f Vi 求 设 广 合 高 各 系 律 参 设 设 电且 V 要 析 ， 定 的 计 成 规 计 1 23， 4 计 .分 等 .确 本 .设 。 .组 的 设 （ （ （ 冲 （ 设 1

4、. 境 2 . 成 3 . 计 4 . 出进度计划； 审查 整体 案 天： 方8 天第 4； 第 计算 ；。数 论证 参 答辩 案 天： ： 方 7天 天 ： 70 天第1 3第 计； ；第 ；设计 料路设 资电善 集元完 收单、 ：真 天 天 B仿 26WB 第第E 习； 件； 天 学器9 中择第 集选； 天 天 设计 15路 第第电指导教师评语及成绩日 字月 导教 年 指 辩 答 ：绩 时成 平总注：成绩：平时 20% 论文质量 60% 答辩 20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）摘要电压/ 频率变换器是一种实现模数转换功能的器件，它能够将将模拟电压量变 换为脉冲信号，该脉冲信号的频率

5、又能够满足与输入电压的大小成正比的关系 。 在现实生活中 ，电压/ 频率变换器常用于实现远距离传输， 并将其与单片机的计数 器接口相组合，实现 AD转换。本次我设计的电压 / 频率变换器由积分器，滞回电 压比较器，电子开关，直流稳压电源四部分组成。其中积分器用于产生模拟连续 电压量，滞回电压比较器用于将模拟连续电压量转换为离散的脉冲信号，电子开 关用于控制滞回电压比较器的工作状态，直流稳压电源用于供电。经过仿真软件 MULTISIM的验证，这次的我所设计的电压 / 频率变换器基本满足设计要求。但由 于具体特定元件的缺失以及其他原因，经过焊接与调试后，并没有得出具体的实 测数据。关键词： AD转

6、换；积分器；滞回电压比较器本科生课程设计（论文）目录第 1 章 绪论 11.1 电压/ 频率变换器概况 11.2 本文研究内容 11.3 总体设计方案以及论证 2第 2 章 电压 / 频率变换器分电路设计及仿真演示 42.1 电压 / 频率变换器分电路设计 42.1.1 电压/ 频率变换器积分器设计 42.1.2 电压/ 频率变换器电压比较器的设计 52.1.3 电压/ 频率转换器电子开关设计 62.1.4 电压/ 频率变换器直流稳压电源设计 72.2 元器件型号选择 72.3 MULTISIM 仿真 8第 3 章 实物的焊接与调试 10第 4 章 课程设计总结 14参考文献 16附录 1：总

7、电路原理图 17附录 2：元器件清单 18本科生课程设计（论文）第1章 绪论1.1 电压 / 频率变换器概况电压/频率变换器 VFC（ Voltage Frequency Converter）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。电压到频率的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

8、。 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。电压/ 频率变换也可以称为伏频变换。 把电压信号变换为脉冲信号后， 可以明 显地增强信号的抗干扰能力， 也利于远距离的传输。 通过和单片机的计数器接口， 可以实现 AD转换。1.2 本文研究内容本文研究的是电压 / 频率变换器的设计与制作，经过对资料的查找和分析， 我找到了满足如下设计要求的设计方案，接下来进行了元器件的选择以及参数的 确定，并确定了总体电路的结构，最后我还进行了实物的焊接与调试。设计要求： （ 1）设计一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器。 （2）设计放大器所需的直流稳压电源。（

9、 3）电压/频率变换器输入 Vi 为直流电压（控制信号），输出频率为 f 0的矩形脉冲， 且 f0 vi 。（4）Vi 变化范围： 010， f 0变化范围： 010kHz，转换精度 1%。本科生课程设计（论文）1.3 总体设计方案以及论证图 1.1 方案一总电路图方案一 ：采用积分运算电路和 555 单稳态触发器构成电压 / 频率变换器， 通过电子开关实现对电路工作的控制，并通过直流稳压电源进行供电。方案二 ：用积分运算电路和滞回电压比较器构成电压 / 频率变换器，通过电子 开关实现对电路工作的控制，并通过直流稳压电源进行供电。图 1.2 方案二总电路图本科生课程设计（论文）方案论证 ：由于

10、滞回比较器具有滞回特性，它与 555 单稳态转换器相比有 一定的抗干扰能力， 使输出频率稳定， 价格较便宜， 并且在测控系统中应用广泛。 而且方案一中的 555 单稳态转换器属于数字电子技术基础部分知识，我尚未接触 过，所以综合以上论证，我最终所以采用方案二来完成本次的课程设计。本科生课程设计（论文）图 2.1 电压 / 频率变换器的积分器设计第 2 章 电压 / 频率变换器分电路设计及仿真演示2.1 电压/ 频率变换器分电路设计2.1.1 电压 / 频率变换器积分器设计积分电路的电路原理图如图 2.1 所示，它可以完成输出信号对输入信 号的积分运算，它是利用电容器两端电压与通过电容器的电流为

11、积分关系， 以及运放虚短和虚断的特性实现的。在这里积分器主要用于产生连续的模 拟电压信号。而由于晶体管参数受温度变化影响，这种温度漂移作用会造 成误差，所以 RC要选择合适的器件。本科生课程设计（论文）图 2.2 电压/ 频率变换器的电压比较器设计2.1.2 电压/ 频率变换器滞回电压比较器的设计滞回电压比较器的原理图如图 2.2所示，它可以看作是放大倍数接近 “无穷大” 的运算放大器。电压比较器的功能是比较两个电压的大小 （ 用输出电压的高或低电 平，表示两个输入电压的大小关系 ） ：当” +”输入端电压高于”输入端时， 电压比较器输出为高电平；当” +”输入端电压低于”输入端时，电压比较器

12、 输出为低电平。它可工作在线性工作区和非线性工作区。工作在线性工作区时特 点是虚短，虚断；工作在非线性工作区时特点是跳变，虚断；由于比较器的输出 只有低电平和高电平两种状态，所以其中的集成运放常工作在非线性区。从电路 结构上看，运放常处于开环状态，又是为了使比较器输出状态的转换更加快速， 以提高响应速度，一般在电路中接入正反馈。本科生课程设计（论文）2.1.3 电压 /频率转换器电子开关设计滞回电压比较器直流稳压电源图 2.3 电压/ 频率变换器电子开关设计电子开关采用开关晶体管接成反向器形式，当触发器的输出为高电平时，三 极管饱和导通，输出近似为零，当触发器输出为低电平时，晶体管截止，输出近

13、 似等于 +Vcc。电路原理图如图 2.3 所示。本科生课程设计（论文）电子开关2.1.4 电压 / 频率变换器直流稳压电源设计积分器图 2.4 电压/ 频率变换器直流稳压电源设计如图 2.4 所示，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，D4，D5截止，D2导通，所以积分电容通过二极管 放电。当 V1为 1 时，D4，D5导通， D2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。2.2 元器件型号选择根据题目要求结合电路图， 输入与输出关系 Vi f0，题目要求输入电压范围为 1- 10V，而输出频率要求为 1- 10K

14、HZ ，输入电压与输出频率成正比关系。 由公式f =Ui/6Uz R1C可以解得输出频率。其中 R1=1K，C=2.5nF，此时输出频率与输入电 压的关系如下表 2.1所示，通过该表格，可知随着输入电压的增大，输出频率也在本科生课程设计（论文）逐渐增大，输入电压减小，输出频率也随之减小，即输出频率与输入电压成正比，且该频率变化范围在 010kHz内，满足题目要求。vi 电压（V）01.002.003.004.005.006.008.0010.00f0 频率（kHz）00.971.952.983.904.926.017.99989表 2.1 输出频率与输入电压的关系2.3 Multisim 仿真

15、本小节展示的是利用 Multisim 仿真所得到的仿真结果。如下所示的由 2.5 到 2.14 的 10 张图片是输入电压由 1V变化到 10V时，利用示波器得到的输入与输 出的波形。通过该波形可以观察到，输入波形为连续的锯齿状的连续信号，输出 波形为离散的矩形脉冲方波信号，且随着输入电压的增大，输出矩形脉冲的宽度 变窄，即频率变大。所以综合以上论证，我的仿真满足工作原理以及设计要求。1. 输入电压为 1V 是，输出波形如图 2.5 所示本科生课程设计（论文）图 2.6 输入电压为 2V 时图 2.5 输入电压为 1V时2. 输入电压为 2V 时，输出波形如图 2.6 所示3. 输入电压为 3

16、V 时，输出波形如图 2.7 所示图 2.7 输入电压为 3V 时9本科生课程设计（论文）4. 输入电压为 4V 时，输出波形如图 2.8 所示图 2.8 输入电压为 4V 时5. 输入电压为 5V 时，输出波形如图 2.9 所示6.图 2.9 输入电压为 5V 时10本科生课程设计（论文）6. 输入电压为 6V 时，输出波形如图 2.10 所示图 2.10 输入电压为 6V 时7. 输入电压为 7V时，输出波形如图 2.11 所示图 2.11 输入电压为 7V 时11本科生课程设计（论文）8. 输入电压为 8V 时，波形如图 2.12 所示图 2.12 输入电压为 8V 时9. 输入电压为

17、9V 时，输出波形如图 2.13 所示图 2.13 输入电压为 9V 时12本科生课程设计（论文）10. 输入电压为 10V 时，输出波形如图 2.14 所示图 2.14 输入电压为 10V 时13本科生课程设计（论文）第 3 章：实物的焊接与调试图 3.1 实物焊接图如图 3.1 所示为本次设计的实物焊接图。 图中的运放采用 UA741运放，而本次 产品设计要求使用的是 LM741AH/883运放，我们都知道在模拟器件中，运算放大 器起着至关重要的作用，运算放大器的改变必将对整个模拟电路产生巨大影响。 而本次设计时，由于器件不足和时间不足等原因，我选择了 UA741 运放代替 LM741AH

18、/883运放，这是导致实物焊接后无法测出实测数据，并与仿真结果不吻 合的第一个主要原因， 其次，由于我需要的电阻为 19K，5.1K,6.2K 等特殊值， 而 在实际生产中，并没有直接阻值与之吻合的电阻，所以为解决此问题，我的电阻 都是采用串并联或者近似替代的方式，这样所产生的误差也是不可忽略的，这是 没有调试出与仿真相吻合的结果的第二个原因。除去器件本身的参数原因， 我的焊接技术不过关也占有很大原因。 由于本学期 我是首次接触焊接技术，所以可能在焊一些元件时错误地造成了虚焊而对器件造 成了一定程度上的损坏。14本科生课程设计（论文）第 4 章 课程设计总结这次我的课程设计题目是电压 / 频率

19、变换器。首先，在刚刚拿到这个课程设计 题目的时候，我完全不了解电压 / 频率变换器的含义是什么， 我觉得它与我们所学 过的模拟电子技术基础的知识没有关联，但经过多日在图书馆以及网络上所找到 的资料，我对整体的框架有了初步的认识，并最终确定了设计方案。即采用积分 器，滞回电压比较器，电子开关以及直流稳压电源为总体设计方案。但在其中， 关于滞回电压比较器的知识由于课上没有系统地学习过，所以把有关滞回电压比 较器的理论知识直接应用于实践也就显得尤为困难。在设计过程中，我观察到题 目要求输出频率需要在 010kHz范围内，这也就是说我必须选择大小合适的电阻 与电容，这一参数确定环节是我在本次课程设计中

20、最为头痛的环节，我花了好久 才弄明白。其次，这次课程设计让我更加清楚的认识到我在电路的连接方面还有很大不 足，在用 Multisim 软件设计较为复杂的电路时，我经常要花好久去分析和连接。 这一不足在本次课程设计的实物焊接与调试环节中也有体现。在实物焊接与调试环节中，我对电路的连接分析还很不过关，并且由于是首 次接触焊接技术，缺乏练习，导致在很多焊点上出现了虚焊问题。以上两点是我 本次焊接与调试失败的主观因素。而客观因素主要体现在以下两点，第一点是运 放的问题，由于器件不足以及时间不足， 我采用了 UA741运放去代替 LM741AH/883 运放。第二点是电阻的问题，由于有些特殊阻值的电阻不能够直接获得，我采用 了串并联和近似替代的方法，这也造成了一些无法解决的误差。但是这次课程设