电压频率变换器设计

模拟电子技术基础课程设计(论文)电压/频率变换器院（系）名称电子与信息工程学院专业班级电子131班学号学生姓名指导教师起止时间：2015.7.6—2015.7.19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130404006学生姓名专业班级电子131班课程设计（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成绩：答辩成绩：论文成绩：作品成绩：总成绩：指导教师签字：年月日注：平时成绩占20%，答辩成绩占20%，论文成绩占40%，作品成绩20%。本科生课程设计（论文）PAGEII摘要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，使积分电路能随外加电压的不同而产生不同频率的锯齿波，故采用LM324集成放大器构成的积分器作为输入电路。积分器的输出信号去控制由LM324集成放大器构成的电压比较器（迟滞比较器），电压比较器（迟滞比较器）的输出信号返回到积分器，可得到矩形脉冲输出，输出频率与输入电压基本呈线性关系，满足输出信号频率的大小与输出电压的大小成正比，即fo∝Vi。Vi变化范围：0～10，fo变化范围：0～10kHz。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。放大器的所需的直流稳压电源采用串联反馈式稳压电路，该电路的输出电压值范围可调。熟练掌握运算放大器基本电路的原理，并掌握它们的设计、测量和调整方法。本系统采用Multisim仿真软件进行仿真测试。在保证功能的前提下控制器件成本。采用单面印制电路板对整体电路进行合理的布线，并进行焊接与调试。输出信号均达到设计要求且稳定工作。关键词：锯齿波；电压比较器；充放电；积分器

目录第1章绪论 11.1电压/频率变换器的发展概况 11.2本文研究内容 1第2章电压/频率变换器总体设计方案 12.1电压/频率变换器设计方案论证 12.2总体设计方案框图及分析 1第3章电压/频率转换器单元电路设计 13.1电压/频率变换器具体电路设计 13.1.1直流稳压电源电路设计 13.1.2同相输入迟滞电压比较器电路设计 13.1.3积分器电路设计 13.2元器件型号选择 13.3参数计算 13.4电压/频率变换器总体电路图 1第4章锯齿波发生器电路仿真与调试 14.1Multisim仿真与调试 14.2仿真结果分析 1第5章电压/频率变换器实物制作 15.1电压/频率变换器电路焊接 15.2电压/频率变换器电路作品 1第6章作品测试与数据分析 1第7章总结 1参考文献 1附录I 1附录II 1PAGE2PAGE18第1章绪论1.1电压/频率变换器的发展概况随着电子技术的快速发展，电子产品的功能日益强大，与人们日常生活的联系日益紧密。电子产品向小型化，精密化的趋势快速发展。任何的电子系统中，信号产生电路都是全系统得以正常工作的基础，也是制约电路处理信号的速度、精度的重要因素。信号源的精度决定着全电子系统的精度。电子技术的发展常常以信号发生技术的进步为基础。电压/频率变换器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，且输出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，随着电压/频率变换器的快速发展，它成为了各种测量仪表、数字仪表、自动化仪表等仪器不可缺少的核心部件。电压/频率变换器的出现最初是为了克服工频干扰而发展起来的积分型数字电压表的核心电路，近十多年来，由于计算机的使用日益扩大，对于电压/频率变换器的应用已深入到各个领域。在生产和科学实验中，为了便于测量，也需将电量转变成可计数的脉冲。在当今计算机及微处理机广泛应用的时代,对于电压/频率变换器的需求量越来越大。1.2本文研究内容本文研究内容为设计一款频率与输入Vi（直流电压控制信号）成正比的方波发生电路。使用集成运算放大器为主要器件组成迟滞电压比较器和充放电时间常数不等的积分器。设计合适的直流稳压电源电路等核心部件。选择合适的外围分立元件组成锯齿波发生器。通过对调节外围分立元件的参数的调整，实现输出信号频率的大小与输出电压的大小成正比。分立元件的数量相对较少，结构简单、性能稳定。技术要求：1、设计电路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。第2章电压/频率变换器总体设计方案2.1电压/频率变换器设计方案论证方案1：用通用型运算放大器构成微分器和电压迟滞比较器,其输出与输入的三角波信号频率成正比。方案2：利用芯片LM331设计电压/频率转换器，输入电压通过滤波之后直接输入芯片，在芯片外部接入由电容电阻所构成充放电电路，就能够组成电压频率转换电路，并且转换精度较高。比较两种设计方案，与方案2相比，方案1用运算放大器组成迟滞比较器就能满足锯齿波电路转化成方波性能要求。其结构更加简单、可靠性更高、制作成本低廉、调试更加方便。所以选择方案1。2.2总体设计方案框图及分析如图2.1所示，本电压/频率变换器由与之适配的直流稳压电源供电，由迟滞电压比较器和充放电时间常数不等的积分器构成的反馈网络实现锯齿波电压的输出。由输出的锯齿波信号作为电压比较器的输入信号，电压比较器输出的方波作为积分器的输入信号。由于积分器充放电时间常数不同所以输出的信号为锯齿波。输出方波输出方波返回信号产生锯齿波输入信号直流稳压电源电压比较器积分电路直流稳压电源图2.1总体设计方框图第3章电压/频率转换器单元电路设计3.1电压/频率变换器具体电路设计3.1.1直流稳压电源如图3.1所示，本电压/频率变换器设计要求为运放供电值为±5V。以此为依据设计稳压电源的输出电压为±15V采用220V50Hz市电输入。由变压器降压、二极管整流电桥整流、滤波电容C1滤波，变为±20V直流电压信号。本电路可以输出稳定的±5V电压用于为构成迟滞电压比较器和积分器的集成运算放大器供电。图3.1直流稳压电源电路原理图3.1.2同相输入迟滞电压比较器电路设同相输入迟滞电压比较器以经过反馈通路反馈回来的积分器输出的锯齿波电压信号作为输入信号，与自身输出的矩形波信号进行电压比较。整个单元电路承担着向积分器提供一定幅值和频率的矩形波信号用以产生锯齿波的作用。其输出的矩形波频率受输入的锯齿波频率控制，二者近似相等。所以迟滞电压比较器重要的设计指标为上下门限、门限宽度及输出矩形波电压幅值。其输入和输出的波形对应关系如图3.2所示。ViViVT-VTt-VzVzOVo图3.2同相输入迟滞电压比较器输入-输出关系如图3.3所示同向输入迟滞电压比较由集成运算放大器及电阻反馈网络构成。设运算放大器同相输入端电压为那么存在如下关系(3-1)设运算放大器的反相输入端电位为由理想运算放大器虚短、虚断的关系可得在电路翻转时存在(3-2)设门限电压为,门限宽度为。由式（3.1.1）（3.1.3）可得(3-3)由于稳压二极管的存在可得如下关系式(3-4)(3-5)(3-6)(3-7)VViVO图3.3同相输入迟滞电压比较器原理图3.1.3积分器电路设计积分器电路采用集成运算放大器LM324和RC元件构成的反向输入积分器。积分电路图如图3.4所示：反向积分电路可以完成输出信号对输出信号的积分运算，它是利用电容器两端电压与通过电容器的电流为积分关系，以及运放虚短和虚断的特性实现的。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。VVOVi图3.4积分电路3.2元器件型号选择在直流稳压电源部分，为了得到稳定的电压输出为运算放大器供电。选择9014两个三极管作为调整电路。以两个电阻和一个电位器来实现输出电压的调节，采用二极管1N4735来实现电路的稳压状态。由整流电桥整流、电容滤波产生±20V较为平稳的电压信号。考虑到输出电压的幅值和市电10%的波动范围，整流桥由四只1N4007整流二极管组成。滤波电容采用2000μF和1000μF电解电容。在迟滞比较器部分，由于该锯齿波发生器的工作频率上限被设定为10kHz。在此频率下工作使用集成运算放大器就能较好的实现比较功能。所以考虑到成本，直接选用LM324集成运算放大器和电阻反馈网络组成迟滞电压比较器。在积分电路部分，选择LM324构成核心的积分电路。由于锯齿波电路要求充电时间尽可能的小，以及考虑到电路输出信号的频率范围，可以选择0.1uF独石电容作为积分电路的充电电容。3.3参数计算直流稳压电源部分的电压输出值可以调至±5V。直流稳压电源输出电压计算：变压后次级线圈电位： （3-8）稳压二极管D2电位：(3-9)稳压二极管D3电位：(3-10)输出电压值范围：(3-11)(3-12)如果忽略二极管的正向电阻，电路的振荡周期为(3-13)代入参数计算得，其振荡频率在0~10kHz连续可调,满足设计要求。3.4电压/频率变换器总体电路图电压/频率变换器电路的总体电路图如图3.5所示，输入Vi控制积分电路的振荡频率，输出方波的频率不同。图3.5锯齿波发生器总体电路图第4章锯齿波发生器电路仿真与调试4.1Multisim仿真与调试应用Multisim12.0仿真软件对各部分电路进行仿真测试，便于在电路实物制作之前及时发现设计问题，改正设计错误、调试电路。如图4.1所示，为输入电压时积分电路产生的锯齿波。图4.1积分器产生的锯齿波如图4.2所示，输入电压为1V是，产生的方波的频率，满足实验要求。图4.2输入1V产生的方波的频率如图4.3所示，为输入电压为1V是，电压比较器电路产生的方波。 图4.3输入1V产生的方波如图4.4所示，为输入电压为10V是，电压比较器电路产生的方波的频率。基本接近于10kHz，忽略误差，满足实验要求。图4.4输入10V产生的方波的频率如图4.5所示，为输入电压为10V是，电压比较器电路产生的方波。 图4.5输入10V产生的方波4.2仿真结果分析对直流稳压电源进行了较全面的仿真，根据仿真结果，稳压二极管电压VD7约为2.6V左右，其输出电压输出范围为3.9～7.8V，在误差允许的范围内，结果表明此电路能稳定输出电压，可以给放大器供电。对积分电路与电压比较器电路进行仿真测试，根据仿真结果，积分电路能随外加电压不同产生频率的锯齿波，经过电压比较器后，其输出波形为方波，频率与输入电压基本呈线性关系，满足输出信号频率的大小与输出电压的大小成正比，即fo∝Vi。Vi变化范围：0～10，fo变化范围：0～10kHz。在误差允许的范围内，满足任务书要求，可以运行。将两部分电路整理结合后，进行仿真测试，仿真结果几乎无变化，满足任务书的要求，可以运行。第5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具体电路的布线与焊接，为了防止电路分布参数影响工作状态产生误差，应该尽量避免飞线，尽量缩短导线长度。为防止测试操作过程中将运放芯片的电源反接导致芯片烧毁导致安全事故。应该合理布置电源接口，并予以标注各接地电应该牢固连接并接出接口。信号输出接口应予以符号标出。电压/频率变换器实物布线图如图5.1所示。图5.1电压/频率变换器电路焊接布线图5.2电压/频率变换器电路作品如图5.2所示，为焊接的实物正面作品。为缩小版面尺寸，应合理紧密选择器件位置，各输出端应合理布置测试点，电源和接地线应留出接口。为方便测试，应用图示标出各测试接口的功能。图5.2电压/频率变换器作品第6章作品测试与数据分析本次测试采用实验台提供的更加稳定的±5V双电源供电便于更好的测试、调试作品。采用双通道数字示波器同时观测矩形波的波形。示波器各通道的接地线应与电源接地线良好连接避免干扰。如图6.1所示，为电压输入为1V时产生的波形。输出频率约为1.4KHZ，满足设计要求。图6.1电压为1V时产生的波形如图6.2所示，为电压输入为10V时产生的波形。波形产生交越失真以及顶部未出现方波形式，频率约为16KHZ，高于设计要求。图6.2电压为10V时产生的波形第7章总结时间一点点的逼近了，耗时2周的课程设计即将结束，在老师的指导和自己的努力下我的模电课设也完成了。电压/频率变换器的功能已经基本实现，在设计过程中，老师指引我们将本学期来学习的模电理论知识与实践想结合起来，依据软件仿真测试的方法，将电路逐渐完善，从可行性研究、需求分析、总体设计到详细设计，到电路实现，测试，这其中遇到无数问题，有的是设计上的，有的是技术实现上的，在解决这些问题的过程中，我深深的领悟到了电路开发的奥妙，也使我对不同电路的不同功能有了浓厚的兴趣。本设计通过方案对比选出如下方案首先要求电压/频率变换器的输入信号频率f0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（迟滞比较器），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。可见，输出脉冲信号的频率决定了电容的充放电速度，即决定了V1值的大小，这就是电压/频率变换的原理分析和理论设计。电路由四部分组成，分别是积分器，电压比较器（迟滞比较器），直流稳压电源，恒流源组成。输入端连接稳压