电压频率变换器

辽宁工业大学课程设计说明书（论文）PAGE模拟电子技术基础课程设计（论文）电压/频率变换器院（系）：电气工程学院专业班级：学号：学生姓名：指导教师：起止时间：2015.7.6-2015.7.19本科生课程设计（论文）PAGEV课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程工程学院教研室：电子信息工程学号学生姓名专业班级电气课程设计（论文）题目电压/频率变换器课程设计（论文）任务任务要求：电压/频率变换器是一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器，其输出信号频率与输出电压的大小成正比。由振荡电路、电压比较器等部分电路组成。技术要求：1、设计放大器所需的直流稳压电源。2、电压/频率变换器输入Vi为直流电压（控制信号），输出频率为fo的矩形脉冲，且fo∝Vi。3、Vi变化范围：0~10。4、fo变化范围：0~10kHz。5、转换精度<1%。6、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试。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：年月日注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算摘要电压/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。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。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关键词：V-F转换；反向输入积分器；电子开关；反馈式控制目录第一章绪论1.1电压频率转换器概况………11.2本文研究内容………………1第二章电压/频率变换器总体设计方案2.1电压频率变换器总体设计方案论证………22.2总体设计方案框图及分析…………………2第三章电压/频率变换器单元电路设计3.1电压/频率具体电路设计…………………33.1.1积分器设计………………33.1.2滞回电压比较器设计……………………33.1.3电子开关设计……………43.1.4稳压电源设计……………43.2元器件型号选择……………53.3参数计算……………………53.3电压/频率变换器总体电路图……………6第四章Multisim仿真、数据分析4.1Multisim仿真与调试……………………74.2仿真结果分析……………9第五章电压/频率变换器实物制作…………………10第六章作品测试与数据分析………11第七章总结……………12参考文献………………………13附录Ⅰ…………14附录Ⅱ…………15PAGE16第一章绪论1.1电压频率转换器概况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。1.2本文研究内容电压/频率变换器转换电路是将模拟电压信号转换成频率信号。电压/频率变换器的输入信号频率f输入电压Vi的大小成正比入控制电压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再次充电此实现Vi控制电容充放电速度控制输出脉冲频率。通过减小电容的容量可以获得更大震荡频率。

第2章电压/频率变换器总体设计方案2.1电压频率变换器总体设计方案论证方案一：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，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。方案二：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0～5V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。比较以上方案及根据现有器件，本设计选用方案一来完成。2.2总体设计方案框图及分析滞回电压比较器滞回电压比较器输出的方波信号积分器输出的方波信号积分器电子开关电子开关图2.2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。第三章电压/频率变换器单元电路设计3.1电压/频率具体电路设计3.1.1积分器电路设计积分器采用运算放大器和RC元件构成的反相输入积分器。图3.1.1积分器电路3.1.2滞回电压比较器电路设计图3.1.2滞回电压比较器电路3.1.3电子开关电路设计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。图3.1.3电子开关电路3.1.4稳压电源电路设计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。+12V-12V图3.1.4稳压电源电路3.2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，题目要求输入电压的范围为0~10V，而输出频率要求为0~10KHZ，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、直流增益模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：3.3参数计算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t≥0时：积分电路公式：这表明输出电压vo与时间t成线性关系。3.4电压/频率变换器总体电路图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，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。图3.4电压/频率变换器电路第4章Multisim仿真、数据分析4.1Multisim仿真与调试输入为1V时，仿真图形如图4.1.1。图4.1.1输入为1V时仿真图形输入为3V时，仿真图形如图4.1.2。图4.1.2输入为3V时仿真图形输入为5V时，仿真图形如图4.1.3。图4.1.3输入为5V时仿真图形输入为7V时，仿真图形如图4.1.4。图4.1.4输入7V时仿真图形输入为9V时，仿真图形如图4.1.5。图4.1.5输入9V时仿真图形4.2仿真结果分析形脉冲输出，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，当电容放电到某一阈域值时，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multisim10仿真软件对电路进行仿真后，结果满足设计要求，完成了本设计。第五章电压/频率变换器实物制作5.1电压/频率变换器电路焊接5.2电压/频率变换器作品第六章作品测试与数据分析第7章总结知识有了更深的了解，对于知识，也更加形象化了电压/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Multision10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。参考文献[2]孙肖子主编。模拟电子电路及技术基础（第二版）。西安电子科技大学出版社[2]王吉英等著。线性电子电路实验。中国科技大学出版社。2009.7[4]Paulscherz著。实用电子元器件与电路基础。电子工业出版社。2009.4[5]刘志军主编。模拟电路实验基础教程。清华大学出版社2.005.[6]王建等编著。实用电子电路。辽宁科学