电压-频率转换电路

./模拟电路课程设计报告设计课题：电压/频率转换电路专业班级：09电信本学生：赖新学号：090802016指导教师：曾祥华设计时间：二0一一年一月一日目录一、设计任务与要求二、方案设计与论证1、方案一：电荷平衡式电路2、方案二：复位式电路三、单元电路设计与参数计算1、±12V直流稳压电源2、积分器3、滞回比较器四、总原理图及元器件清单五、安装与调试六、性能测试与分析1、直流源的性能测试与分析2、电压—频率转换电路的性能测试与分析七、结论与心得八、参考文献附：物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩评定表电压/频率转换电路一、设计任务与要求①将输入的直流电压〔10组以上正电压转换成与之对应的频率信号。=2\*GB3②用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源〔±12V。〔提示：用锯齿波的频率与滞回比较器的电压存在一一对应关系,从而得到不同的频率.二、方案设计与论证电压-频率转换电路〔VFC的功能是将输入直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压,故也称为电压控制振荡电路〔VCO,简称压控振荡电路。通常,它的输出是矩形波。方案一、电荷平衡式电路：如图所示为电荷平衡式电压-频率转换电路的原理框图。电路组成：积分器和滞回比较器,S为电子开关,受输出电压uO的控制。设uI<0,；uO的高电平为UOH,uO的低电平为UOL；当uO=UOH时,S闭合,当uO=UOL时,S断开。当uO=UOL时,S断开,积分器对输入电流iI积分,且iI=uI/R,uO1随时间逐渐上升；当增大到一定数值时,从UOL跃变为UOH,使S闭合,积分器对恒流源电流I与iI的差值积分,且I与iI的差值近似为I,uO1随时间下降；因为,所以uO1下降速度远大于其上升速度；当uO1减小到一定数值时,uO从UOH跃变为UOL回到初态,电路重复上述过程,产生自激振荡,波形如图<b>所示。由于T1>>T2,振荡周期T≈T1。uI数值愈大,T1愈小,振荡频率f愈高,因此实现了电压-频率转换,或者说实现了压控振荡。电荷平衡式电路：电流源I对电容C在很短时间放电的电荷量等于iI在较长时间充电的电荷量。方案二、复位式电路：电路组成：复位式电压-频率转换电路的原理框图如图所示,电路由积分器和单限比较器组成,S为模拟电路开关,可由三极管或场效应管组成。工作原理：设输出电压uO为高电平UOH时S断开,uO为低电平UOL时S闭合。当电源接通后,由于电容C上电压为零,即uO1=0,使uO=UOH,S断开,积分器对uI积分,uO1逐渐减小；一旦uO1过基准电压UREF,uO将从UOH跃变为UOL,导致S闭合,使C迅速放电至零,即uO1=0,从而uO将从UOL跃变为UOH,；S又断开,重复上述过程,电路产生自激振荡,波形如图〔b所示。uI愈大,uO1从零变化到UREF所需时间愈短,振荡频率也就愈高比较两方案可知,电荷平衡式电路的满刻度输出频率高,线性误差小,精度高,且电路简单、元器件较常见、能容易获得。故采用方案一—电荷平衡式电路。三、单元电路设计与参数计算〔一±12V直流稳压电源根据其设计流程图：采用桥式整流电容滤波集成稳压块正负直流电源电路,原理图如下：直流电源四个组成部分分析：1、电源变压器。其电路图如下：由于要产生±12V的电压,所以在选择变压器时变压后副边电压u2应大于24V,由现有的器材可选变压后副边电压u2为15V的变压器。2、整流电路。其电路图如下：桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性,将四个二极管分为两组,根据变压器副边电压的极性分别导通,将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连,负极性端与负载电阻的下端相连,使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。3、滤波电路。其电路图如下：滤波电容容量较大,一般采用电解电容器。电容滤波电路利用电容的充放电作用,使输出电压趋于平滑。滤波电路输出电压波形如下：4、稳压电路。我们知道,三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。调成管决定输出电压值。由于本课程设计要求±12V的输出电压,所以我们选用7812和7912的三端稳压管〔二积分器积分电路的输入电压Ui和输出电压Uo的波形。由于τ>>tp,电容缓慢充电,其上的电压在整个脉冲持续时间缓慢增长,当还未增长到趋于稳定值时,脉冲已告终止〔t=t1。以后电容经电阻缓慢放电,电容上电压也缓慢衰减。在输出端输出一个锯齿波电压。时间常数τ越大,充放电越是缓慢,所得锯齿波电压的线性也就越好。从波形上看,u2是对u1积分的结果。因此这种电路称为积分电路。在脉冲电路中,可应用积分电路把矩形脉冲变换为锯齿波电压,作扫描等用。积分电路如图所示:其中Rf是为了防止集成运放饱和。运算关系：uo=−1/RC∫uidt设置R=10kΩ,C=1μF当输入为阶跃信号时,输出电压波形如图所示：〔三滞回比较器1电路结构：滞回比较器电路见图所示。它是从输出引一个电阻分压支路到同相输入端。由电路有输出电压Uo=±Uz。2工作原理及传输特性当输入电压UI从零逐渐增大,且U≤+UT时,Uo=+Uz,+UT称为上限阀值电平。当输入电压Ui=+UT,Uo=-Uz。--UT称为下限阀值电平。当Ui逐渐减小,且Ui=--UT以前,Uo始终等于-Uz,因此出现了如图所示的滞回特性曲线：回差电压：3特点及应用抗干扰能力较强。一般用于波形的形成和变换。四、总原理图及元器件清单总原理图如下：〔1电压—频率转换电路〔2桥式整流电容滤波集成稳压块±12V直流电源元器件清单如下：元件序号型号主要参数数量备注R1、R2、R4、R710K40.1元U1、U2UA74120.8元C2、C6、C71UF30.5元R5、R3、R81K30.1元R62K10.1元D11N400770.1元D4、D56．2V20.1元Tr15V19元T1LM781211.2元T2LM791211.2元D2、D320.3元C1、C33300uF20.2元C4、C50.1uF20.2元C8、C9220uF20.2元五、安装与调试<一>安装依据已设计出的电路图,合理地在电路板上布局,拉线。在安装的过程中注意以下几点：1、大电解电容的正负极不能接反；2、uA741的各管脚不能接错；3、三端稳压管三个端的作用一定要分清；4、二极管的正负极要辨清；5、焊时拉线要直,焊点应均匀。〔二调试Ⅰ、直流源动态调试将变压器插头插至220V交流电后,开始测变压器的副边电压U2及滤波输出电压U1、U2还有稳压管输入电压Ui1和Ui2,最后测试Uo1和Uo2。这几个步骤应按顺序进行,若其中某一个步骤出现问题,应及时停下进程,切断电源,查找和想法排解故障。Ⅱ、电压—频率转换电路动态调试1、先用仿真软件将原理图仿真,观察其是否符合理论结果。仿真结果如下：可知原理图符合实验要求,达到预期结果。2、实验箱调试首先连接好电路,用示波器观察输出波形,若波形正确则说明电路正确。然后改变不同的输入电压值、用函数信号发生器测其输出电压频率,若电压频率与理论值基本符合则说明电路符合要求。若不符合则应逐级检查、逐级调整,直至符合要求。经过调试,我们获得了成功,进一步肯定我们方案的正确性。六、性能测试与分析<一>直流源性能测试与分析Ⅰ、直流源性能测试在调试成功后,我们开始测试直流源各组成部分的输入及输出电压。具体过程如下：a、用万用表交流档测试副边电压U2,结果：U2+=14.8V,U2-=-14.8V;b、用万用表直流档测试滤波输出电压,结果：Uo+=17.8V,Uo-=-17.9V;c、用万用表直流档测试稳压管输入电压,结果：Uo+=17.8V,Uo-=-17.9V；d、用万用表直流档测试稳压管输出电压,结果：Uo+=11.9V,Uo-=-12.0V；Ⅱ、直流源数据处理及误差分析：数据处理：理论值：变压器的副边电压：U2+=+15VU2-=-15V；滤波输出电压：Uo+=+18VUo-=-18V；稳压输入电压：Uo+=+18VUo-=-18V；稳压后输出电压：Uo+=+12VUo-=-12V。变压器副边：η1=|14.8-15|/15×100%=1.33%滤波输出〔稳压输入：η2＝|17.8-18|/18×100%=1.11%η3＝|-17.9+18|/18×100%=0.56%稳压电压：η4=|11.9-12|/12×100%=0.83%η5=|-12.0+12|/12×100%=0<二>电压—频率转换电路性能测试与分析Ⅰ、电压—频率转换电路性能测试a、在输入端加入直流信号12v,,用示波器观察输出波形b、用函数信号发生器将输入的直流电压〔10组正电压转换成与之对应的频率信号Ⅱ、电压—频率转换电路数据处理及误差分析：由公式:f=R2*|Ui|/<2R1*RW*C*UZ>可计算出电压频率。数据处理：测数U的输入值f的测量值f的真实值f的误差相对误差11781806253.10%2215741613392.42%32.519912016251.24%4323882419311.28%5.3.527382823853.01%6431413226852.63%74.535383629912.51%8539854032471.17%96468548391543.18%107545256451933.42%〔三误差原因分析1集成块不是理想的集成块；2电子元器件存在缺陷,不是标准数值,比如电阻电容不够理想等；3电路之间的连线不是理想的,有电阻,使实验存在误差；4直流电源输出不是标准的正负12V。5焊接的电路板有焊点的接触性不好。6读取数据时由于人的感官误差和视觉误差。7参数设计的不是很标准。8>信号源带负载能力差。9外界环境的影响导致误差。七、结论与心得<一>实验结论直流电源：<1桥式整流电路由四只二极管组成,保证了在变压器副边电压的整个周期,负载上的电压和电流方向始终不变。<2电容滤波电路是利用电容的充放电作用,使输出的电压趋与平滑。<3在稳压管稳压电路中,只能使稳压管工作在稳压区,输出电压才能得到基本稳定。电荷平衡式电压-频率转换电路：<1电荷平衡式电压-频率转换电路是由积分器和滞回比较器组成的电路。<2通过该电路能够实现电压-频率的转换。<3在输出波形不失真的围,f与是成正比的关系,f随的增大而增大。<二>心得通过此次模电电荷平衡式电压-频率转换电路课程设计,加强了我对模拟电子技术这门课程的理解,对其应用有了一定的认识,提高了我们综合运用知识的能以及分析问题、解决问题的能力。此次模拟电子技术课程设计,让我懂得了实践的重要性。即使课本知识掌握的很好,如果不会综合运用,也是一些支离破碎的无用的知识,而如果能够运用而实际动手能力很差,理论与实践结合不起来,学得再好也没用。这次课程设计恰好是将课本知识与的巩固与综合运用结合来,再加上实际动手能力的培养三者结合起来的。一方面,它加深与巩固了所学的各章节的理论,并将其综合运用,提高了我们综合运用知识的能力；另一方面,培养了我们对专业知识学习的趣。课程设计中出现了很多问题。比如说设计原理图时,必须懂得电荷平衡式电压-频率转换电路的工作原理。电路设计过程及参数确定比较烦琐,我在算时会遇到很多问题,有时实在算不出来了就想放弃,但很快自己会意识到那是一种错误的想法,所以自己会给自己鼓劲继续往下进行,当算到最后时便会有很大的成就感,这强烈的激起了我学习的兴趣,我想这次课程设计对我以后的专业课程学习将有很大帮助。一开始我们用的稳压管稳压值偏大,导致了实验结果波形不稳定,最后经过我们的仔细研究与讨论把问题解决了,成功的完成了这次实验设计。这里,我首先要感我的指导老师—曾祥华老师,他细心地帮我解决了一系列问题,帮助我成功地完成了这次实验设计。其次,我还要感王奇和吴浩月同学,帮助我更好地完成设计了实验。八、参考文献1、《电工电子实践指导》〔第三版,王港元主编,科学技术〔20092、《电子线路设计、实验、测试》〔第四版,罗杰,自美主编,电子工业〔20093、《电子技术课程设计指导》,介华主编,高等教育〔20004、《电子技术基础实验研究与设计》,兆仁主编,电子工业〔20005、《毕满清主编,电子技术实验与课程设计》,机械工业。6、《用万用表检测电子元器件》,杜龙林编,科学技术〔20017、《新型集成电路的应用》,梁宗善,华中理工大学〔20018、《新颖实用电子设计与制作》,振江等编,电子科大〔2000。物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩评定表专业：电子信息工程班级：09电信本学号：：课题名称设计任务与要求设计报告成绩评分标准：=1\*GB3①有合理的方案设计和论证、电路参数的计算、总原理图和清单。〔0-20分=2\*GB3②电路板制作、调试规,有详细制作和调试过程。〔0-10分=3\*GB3③电