電壓、頻率變換器

1、模電課程設(shè)計(jì) 電氣工程院 2013年5月18日 1、任務(wù)書課題名稱電壓/頻率變換器指導(dǎo)教師（職稱）倪琳 執(zhí)行時(shí)間2013/5/13-2013/5/18學(xué)生姓名學(xué)號(hào)承擔(dān)任務(wù)李昂 1109141108 電路的仿真設(shè)計(jì)金紹模1109141107分析電路工作原理黃士禮1109141106 電子開關(guān)的設(shè)計(jì) 李漢成1109141109設(shè)計(jì)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器李龍1109141110積分器的設(shè)計(jì)李寧1109141111 制作恒流源電路李秀龍1109141112電路原理圖的框架設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的1、掌握電壓/頻率變換器的設(shè)計(jì)方法；2、學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的積分電路設(shè)計(jì)與調(diào)試。 3、熟悉集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用設(shè)計(jì)要求 1、技術(shù)指標(biāo)：設(shè)計(jì)一

2、個(gè)電壓/頻率變換電路，其主要指標(biāo)如下：（1）輸出直流VI，輸出額定頻率為fo的矩形波，且foVI；（2）VI變化范圍：010V；（3）fo變化范圍：010KHz；2、設(shè)計(jì)要求 （1）設(shè)計(jì)一個(gè)合格的電壓/頻率變換電路；（2）要求繪出電路工作原理圖；（3）根據(jù)設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)好電路圖，選好元件設(shè)備及參數(shù)；（5）擬定設(shè)計(jì)電路圖的步驟；（6）撰寫實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)報(bào)告。3、熟悉集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 目 錄 第一章 緒 論51.1 設(shè)計(jì)分析與功能51.2 原理分析及電路圖設(shè)計(jì)5第二章 電路的方框圖6第三章 各模塊方案設(shè)計(jì)73.1積分器的設(shè)計(jì)方案73.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)計(jì)73.3 電子開關(guān)設(shè)計(jì)83.4

3、恒流源電路設(shè)計(jì)93.5 基本計(jì)算11第四章 電路工作原理12第五章 電路的仿真與設(shè)計(jì)體會(huì)135.1 仿真結(jié)果135.2 收獲和體會(huì)14【摘 要】本次課程設(shè)計(jì)利用輸入電壓的大小改變電容的充電速度，從而改變振蕩電路的振蕩頻率，故采用積分器作為輸入電路。積分器的輸出信號(hào)去控制電壓比較器或者單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可得到矩形脈沖輸出，由輸出信號(hào)電平通過一定反饋方式控制積分電容恒流放電，當(dāng)電容放電到某一域值時(shí)， 電容C 再次充電。 由此實(shí)現(xiàn)Vi 控制電容充放電速度， 即控制輸出脈沖頻率。【關(guān)鍵詞】V/F轉(zhuǎn)換；高精度；555定時(shí)器。 第一章 緒 論1.1 設(shè)計(jì)分析與功能電壓/頻率轉(zhuǎn)換器電路實(shí)質(zhì)上是一種隨外加控制電壓

4、變化的振蕩器，通過外加電壓的變化改變輸出信號(hào)的頻率，輸入V1為直流電壓（控制信號(hào)），輸出頻率f的矩形脈沖。1.2 原理分析及電路圖設(shè)計(jì) 首先要求電壓/頻率變換器的輸入信號(hào)頻率 f0與輸入電壓 Vi 的大小成正比，輸入控制電壓 Vi常為直流電壓，也可根據(jù)要求選用脈沖信號(hào)做為控制電壓，其輸出信號(hào)可為正弦波或者脈沖波形電壓。 本設(shè)計(jì)利用輸入電壓的大小改變電容的充電速度，從而改變振蕩電路的振蕩頻率，故采用積分器作為輸入電路。積分器的輸出信號(hào)去控制電壓比較器或者單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可得到矩形脈沖輸出，由輸出信號(hào)電平通過一定反饋方式控制積分電容恒流放電，當(dāng)電容放電到某一閾域值時(shí)，電容 C 再次充電。由此實(shí)現(xiàn) V

5、i 控制電容充放電速度，即控制輸出脈沖頻率?？梢?，輸出脈沖信號(hào)的頻率決定了電容的充放電速度，即決定了V1值的大小，這就是電壓/頻率變換的原理分析和理論設(shè)計(jì)。 第二章 電路的方框圖輸出電子開關(guān)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器積分器輸入 恒流源 第三章 各模塊方案設(shè)計(jì)3.1積分器的設(shè)計(jì)方案 積分器設(shè)計(jì)積分器采用集成運(yùn)算放大器和RC元件構(gòu)成的反向輸入積分器。電路圖如下：反向積分電路可以完成輸出信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的積分運(yùn)算，它是利用電容器兩端電壓與通過電容器的電流為積分關(guān)系，以及運(yùn)放虛短和虛斷的特性實(shí)現(xiàn)的。 由于晶體管參數(shù)受溫度變化影響，這種溫度漂移作用會(huì)造成誤差，所以RC要選擇合適的器件。3.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)計(jì)單穩(wěn)態(tài)觸

6、發(fā)器采用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路。具體電路如下:1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。 2.在外加脈沖的作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，是一個(gè)具有記憶功能的二進(jìn)制信息存儲(chǔ)器件，是構(gòu)成各種時(shí)序電路的最基本邏輯單元。 3.由于電路中RC延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，該暫態(tài)維持一段時(shí)間又回到原來的穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間取決于RC的參數(shù)值。在本電路中的用途是能夠使電路在輸出端上能得到可調(diào)的穩(wěn)定矩形脈沖。 3.3 電子開關(guān)設(shè)計(jì)電子開關(guān)采用開關(guān)晶體管接成反向器形式，當(dāng)觸發(fā)器的輸出為高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，輸出近似為零，當(dāng)觸發(fā)器輸出為低電平時(shí)，晶體管截止，輸出近似等于+Vcc。3.4

7、 恒流源電路設(shè)計(jì)恒流源電路可采用開關(guān)三極管 T， 穩(wěn)壓二極管Dz 等元件構(gòu)成。 具體電路如下所示。 當(dāng)V1為 0 時(shí)，D2，D3 截止，D4 導(dǎo)通，所以積分電容通過三極管 T 放電。當(dāng) V1為 1 時(shí)，D2，D3 導(dǎo)通，D4 截止，輸入信號(hào)對(duì)積分電容充電。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端得到矩形脈沖。電壓/頻率變換器總體電路電路圖3.5 基本計(jì)算根據(jù)題目要求結(jié)合電路圖，輸入與輸出關(guān)系 Vif0，題目要求輸入電壓的范圍為110V，而輸出頻率要求為 110KHZ，所以該 VFC 電路需有 1khz/v 的換系數(shù)。輸入有信號(hào)電壓 Vin 時(shí)， 積分電容充電， 積分器輸出下降， 當(dāng)降至觸發(fā)器的觸發(fā)電平 （ 1/

8、3Vcc），555 置位，使得積分電容通過恒流源反向充電，當(dāng)積分電容電壓上升到2/3Vcc 時(shí)，又使555 復(fù)位，積分電容又開始充電，從而形成振蕩。因?yàn)閱畏€(wěn)態(tài)電路的充電時(shí)間tw=1.1R7*C1,選取 R7 為 43k,C1 為 1000p，確定充電時(shí)間約為 0.05ms。根據(jù)所采用的恒流源電路及參數(shù)設(shè)置以及輸入電壓與輸出頻率的關(guān)系，可確定恒流源對(duì)積分電容反向充電時(shí)間，從而確定 C3=0.1uf，R1=20K。 第四章 電路工作原理 電路由五部分組成，分別是積分器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，電子開關(guān)，恒流源，直流穩(wěn)壓電源組成。輸入端連接穩(wěn)壓電源，輸出端連接示波器，在輸入端輸入線性增長(zhǎng)的電壓，輸出端所連示波

9、器所讀出的波形頻率也成線性增長(zhǎng)。運(yùn)放UA741的組成積分器，CH7555的組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，T1、DZ的組成恒流源。當(dāng)V1的電位高于555電路的觸發(fā)電平，V3為低電平時(shí)，T2截止，D2、D3導(dǎo)通，D1截止，這時(shí)若輸入正的Vi，積分器輸入Vi下降。當(dāng)Vi下降到使V2等于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電平時(shí)，V3由低電平變?yōu)楦唠娖剑琓2飽和導(dǎo)通，D2截止，D1導(dǎo)通，為T1提供恒定電流。由于此電路大于輸入電流，積分器輸入電壓V1上升，此時(shí)因C2的放電端7腳對(duì)地開路，C2充電，直到C2高于555電路的值時(shí)，V3又回到低電平。以上過程重復(fù)進(jìn)行，V3產(chǎn)生連續(xù)矩形脈沖輸出，其頻率為f，在一個(gè)周期內(nèi)，對(duì)電容C1充放電的電荷相等，

10、即 V1*T/R1=Vz*t/R4式中T為輸入信號(hào)的周期，Vz為穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值，t=1.1R8C2，用輸入信號(hào)的頻率f表示，得f=R4V/R1tVz?？蓪與V成正比。第五章 電路的仿真與設(shè)計(jì)體會(huì)5.1 仿真結(jié)果 附 錄各種元件列表：表6.1電阻RR120 KR1020 KR26.2KR310 KR4100 KR54.7 KR622KR743 KR820R910KR1020 K穩(wěn)壓二極管1WD6穩(wěn)壓值2V電容3個(gè)集成運(yùn)算放大器TLV2712CDGK1個(gè)三極管NPN型計(jì)時(shí)器Lm555cm直流電壓源VCC電壓值15VVEE電壓值-15V答辯記錄及評(píng)分表 課題名稱電壓/頻率變換器答辯教師（職稱）

11、倪琳 答辯時(shí)間20122013 學(xué)年第二學(xué)期 第 12周答辯記錄答辯記錄1、電壓頻率轉(zhuǎn)換器的含義：（李昂）電壓頻率轉(zhuǎn)換實(shí)際上是一種模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。當(dāng)模擬信號(hào)（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出是一串頻率正比于模擬信號(hào)幅值的矩形波，顯然數(shù)據(jù)是串行的。這與目前通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行輸出不同，然而其分辨率卻可以很高。串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換在數(shù)字控制系統(tǒng)中很有用，它可以把模擬量誤差信號(hào)變成與之成正比的脈沖信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)式伺服機(jī)構(gòu)用來精密控制。2、頻率電壓轉(zhuǎn)換器的工作原理：（李秀龍）電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC（Voltage Frequency Converter）是一種實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器

12、件，將模擬電壓量變換為脈沖信號(hào)，該輸出脈沖信號(hào)的頻率與輸入電壓的大小成正比。電壓頻率轉(zhuǎn)換器也稱為電壓控制振蕩電路（VCO），簡(jiǎn)稱壓控振蕩電路。3、頻率頻率變換器中 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以用電壓跟隨器代替嗎？(黃士禮)答：可以，你用運(yùn)放接個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路即可。只是這種由運(yùn)放構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路性。一般用NE555時(shí)基電路接個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路性能更好一些。你可以用專用的壓頻變換集成電路LM331來設(shè)計(jì)，該集成電路采用DIP8腳封裝，外圍元件很少。4、555計(jì)時(shí)器的工作原理（金紹模）555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5

13、腳懸空時(shí)，則電壓比較器 A1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，A2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 A2 的輸出為 1，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時(shí) TR 端的電壓大于VCC /3，則 A1 的輸出為 1，A2 的輸出為 0，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。5、.電壓頻率轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用(李寧)答：電壓頻率轉(zhuǎn)換器就可實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的相互轉(zhuǎn)換，而且具有較高的精度、線性和積分輸入特性，利用它可以抑制串?dāng)_干擾。如果將其輸出的信號(hào)調(diào)制成射頻信號(hào)或光脈沖，還可在不受電磁影響的情況下進(jìn)行無線或光纖等遠(yuǎn)距離通信傳輸。6、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理：（李龍）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器正常工作時(shí)，若未加輸入負(fù)脈沖，即Vi保持高電平，則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出Vo一定是低電