电压频率转化器

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 模拟电子技术基础模拟电子技术基础课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：电压电压/频率变换器频率变换器院（系）：院（系）： _专业班级：专业班级： _学学 号：号： _学生姓名：学生姓名： _指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间： 2014.6.30-2014.7.112014.6.30-2014.7.11 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）本科生课程设计（论文）IV课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室： 电子信息工程学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目电压电

2、压/频率变换器频率变换器课程设计（论文）任务设计参数：设计参数：（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。（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 f0的矩形脉冲，且。vif 0（4）Vi 变化范围：010。 （3）f0变化范围：010kHz。 （4）转换精度1%。设计要求：设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考

3、虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4 .组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。进度计划第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：选择器件进行单元电路设计；第 5 天：单元电路设计及仿真；第 6 天：整体电路设计并仿真；第 7 天：电路焊接制板；第 8 天：焊接调试；第 9 天：完善设计；第10 天：答辩。指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）V注：成绩：

4、平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要随着电子技术和计算机技术的迅速发展，工业自动化得到快速发展，而在工业控制领域，检测传感器件起着越来越重要的作用，各种先进的传感器正在大量应用电压频率转换器。本次课设设计电路实质上就是一个方波锯齿波发生电路，只不过这里是通过改变输入电压 Vi 的大小来改变输出波形频率，从而将电压参量转换成频率参量。电压频率转换器的用途较广。为了使用方便，一些厂家将电压频率转换器做成模块，有的电压频率转换器模块输出信号的频率与输入电压特性的非线性误差小于 0.02%, 但振荡频率较低,一般在 100KHZ 以下。本次课程设计利用输入电压的大小改变电容的充电

5、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,积分器的输入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式控制积分电容恒容放电,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。关键词：反向输入积分器；电子开关；反馈式控制 本科生课程设计（论文）VI目 录第 1 章 绪论 .11.1 电压频率转换器概况 .11.2 本文研究内容 .1第 2 章 电压频率变换器电路设计 .22.1 电压频率变换器总体设计方案 .22.2 具体电路设计 .22.2.1 积分电路设计 .22.2.2 电子开关设计

6、.22.2.3 电源电路设计 .22.3 元器件型号选择 .2第 3 章 MULTISIM 仿真、数据分析.8第 4 章 课程设计总结 .2参考文献 .2元器件清单 .2本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 电压频率转换器概况电压频率转换器 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

7、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。本次课程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,积分器的输入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式控制积分电容恒容放电,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。1.2 本文研究内容设计要求：（1）分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。（2）确定

8、合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。（3）设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。（4）组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。技术指标：（1）电压/频率变换器输入 Vi为直流电压（控制信号） ，输出频率为 f0的矩形脉冲，且。vif 0本科生课程设计（论文）2（2）Vi变化范围：010。（3）f0变化范围：010kHz。（4）转换精度1%。本科生课程设计（论文）3第 2 章 电压频率变换器电路设计

9、2.1 电压频率变换器总体设计方案2.1.1 方案论证方案一：利用一个运算放大器与 555 时基电路组成的高精度电压频率转换电路，555 时基电路接成自激谐振荡器，只是它的充放电电阻由运算放大器组成的电流发生器所代替，故而使电路的非线性度不小于 3%，若输入电压Vi从05V 变化时，在输出频率 0 21KHZ，频率变化率为 4.1KHZ/V，调节 RP 可作适当微调为确保电路精度。R1R4 应采用误差不超过 0.5%精密型金属膜电阻器。虽说此方案精确度高，但成本较高。方案二：利用输入电压的大小改变电容器的充放电速度，从而改变振荡频率，故可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

10、，可得到矩形脉冲输出。有输出信号电平通过一定反馈方式控制积分电容恒流放电，当电容放电到某一值时，电容 C 再次充电。可见，输出脉冲信号的频率决定于电容的充放电速度，即决定Vi值的大小，这就实现了电压/频率转换。比较以上方案，本设计选用方案二来完成。2.1.2 总体设计方案框图图2.1 总体设计方案框图利用输入电压的大小改变电容器的充放电速度，从而改变、振荡频率，故可电子开关 积分运算电路输出的方波信号滞回电压比较器本科生课程设计（论文）4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，可得到矩形脉冲输出。有输出信号电平通过一定反馈方式控制积分电容恒流放电，当电容放电到某一值时，电容

11、C 再次充电。可见，输出脉冲信号的频率决定于电容的充放电速度，即决定Vi值的大小，这就实现了电压/频率转换。2.2 具体电路设计2.2.1 积分电路设计我们知道积分电路输出电压变化的速率与输入电压大小成正比，如果积分电容充电使输出电压达到一定程度后，设法使它迅速放电，然后输入电压再给它充电，如此周而复始，产生振荡，其振荡频率与输入电压成正比，即电压频率转换器。积分器采用运算放大器和 RC 元件构成的反相输入积分器。积分器的作用是当电路输入方波时，如果积分时间常数选择的合适，则积分电路输出为三角波，如果积分时间常数选的过小，即积分速度太快，将使积分电路输出在输入电压产生跳变前就达到了饱和值，从而

12、使输出电压不为三角波。电源信号通过积分电路反相端，得到矩形信号。假设输入信号 Vs是阶跃信号，且电容 C 初始电压为零，则当 t0 时： 积分电路公式：这表明输出电压 vo与时间 t 成线性关系。图2.2 积分电路tIvdvRCvsttso01本科生课程设计（论文）52.2.2 电子开关设计图2.3 电子开关电路电子开关采用开关三极管接成反相器形式，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。2.2.3 电源电路设计图2.4 电源电路单相交流电经过电源变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。 直流电

13、压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压通过整流电路从本科生课程设计（论文）6交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉冲电压。 为了减少电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。 交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动负载变化的影响，从而获得足够高的稳定性。2.2.4 总体电路设计图2.5 总体电路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,

14、积分器的输入信号去控制电压比较器，可得到矩形脉冲输出,由输出信号电平通过一定反馈式控制积分电容恒容放电,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。2.3 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 Vif0，题目要求输入电压的范围为010V，而输出频率要求为 010KHZ，所以该 VFC 电路需有 1khz/v 的换系数。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运放放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增

15、益模本科生课程设计（论文）7块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。9014是非常常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，它是NPN型小功率三极管。9014 的参数：集电极最大耗散功率 Pcm=0.4W（Tamb=25）集电极最大允许电流 Icm=0.1A集电极基极击穿电压 Vcbo=50V集电极发射极击穿电压 Vceo=45V发射极基极击穿电压 Vebo=5V集电极发射极饱和压降 Vce(sat)=0.3V (Ic=100mA; Ib=5mA)基极发射极饱和压降 Vbe(sat)=1V (Ic=100mA; Ib=5mA)特征频率 ft=150MHzH

16、FE： A=60150; B=100300; C=200600; D=4001000本科生课程设计（论文）8第 3 章 Multisim 仿真、数据分析输入为 1V 时，仿真图形如图 3.1。图 3.1 输入为 1V 时仿真图形输入为 3V 时，仿真图形如图 3.2。图 3.2 输入为 3V 时仿真图形本科生课程设计（论文）9 输入为 5V 时，仿真图形如图 3.3。图 3.3 输入为 5V 时仿真图形输入为 8V 时，仿真图形如图 3.4。图 3.4 输入为 8V 时仿真图形本科生课程设计（论文）10第 4 章 课程设计总结本设计通过方案对比，选出如下方案，电压/频率变换器的输入信号频率 f

17、。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，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。通过减小电容的容量可以获得更大震荡频率。电压/频率 转换电路与计算机的接口比较简单，转换精度和线性度也比较好。通过这次课设教我学会很多关于电子产品知

18、识。进一步的认识了我们现实生活电子产品，了解和掌握了一些简单电子元件的运用，大大的拓展了我们的知识面。提高了自己以后在学习生活中自己动手能力。给我们很大的启发，很有助于我们将来的学习生活和工作。通过 Multision 10 仿真软件对电路中电源电路，积分电路，滞回比较器的仿真，得到了具体的仿真结果，从而完成了本次设计。本科生课程设计（论文）11参考文献1 康华光主编.电子技术基础（模拟部分）.第五版.北京：高等教育出版社,2005.2 华成英主编.模拟电子技术基本教程. 北京：清华大学出版社，2009.8.3 李杰等编著.电子技术基础.北京：清华大学出版社，2008.4 郑家龙主编.集成电子技术基础教程. 北京：高等教育出版社,2002.5 Altera 可编程逻辑器件及其应用.刘宝琴，译，