電壓頻率變換器

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程名稱： 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目： 電壓/頻率變換器 學(xué)生姓名： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 日 期： 年 月 日電壓/頻率變換器一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求說(shuō)明：電壓/頻率變換電路實(shí)質(zhì)上是一種振蕩頻率隨外加控制電壓變化的振蕩器。主要技術(shù)指標(biāo)與要求：（1）設(shè)計(jì)一種電壓/頻率變換電路，輸入I為直流電壓（控制信號(hào)），輸出頻率為O的矩形脈沖，且I 。（2）I變化范圍：010V。（3）O變化范圍：010kHz（4）轉(zhuǎn)換精度1% .二、方案設(shè)計(jì)與論證示波器ViVVII積分器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 電子開(kāi)關(guān)恒流源 圖1 電壓/頻率變換器總體框架圖利用輸入電壓的大小改變電容的充電速度，從而

2、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(guò)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。方案一、電壓頻率變換器的輸出信號(hào)頻率f0與輸入電壓vi的大小成正比，輸入控制電壓v1常為直流電壓，可以根據(jù)要求選用脈沖信號(hào)作為控制電壓。其輸出信號(hào)可為正弦波或者脈沖波形電壓。利用輸入電壓的大小改變電容器的充電速度，從而改變振蕩電路的振蕩頻率，可以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

3、出，由輸出信號(hào)電平通過(guò)一定反饋方式控制積分電容恒流放電，當(dāng)電容放電到某一定值時(shí)，電容再次充電。所以，輸出脈沖信號(hào)的頻率決定于電容的充放電速度，即決定于vi值的大小，從而就實(shí)現(xiàn)電壓頻率變換。 三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1、積分器的設(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。具體電路如下：圖2 積分器設(shè)計(jì)2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)計(jì)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器采用555元件一個(gè)外接電阻R和電容C元件構(gòu)成的定時(shí)網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)當(dāng)電源V DD 加上后置位端CUT無(wú)觸發(fā)信號(hào)即在穩(wěn)定狀態(tài),輸出 V 0 為低電平,觸發(fā)器輸出電 平,定時(shí)器電容C上的電壓V C =0由于555的TRI、GND腳短接,故上比較器A1的反相

4、 端和下比較器A2的同向端分別偏置在32 VDD和31 VDD處這個(gè)電位就是比較器翻轉(zhuǎn)與否的門限電壓值.當(dāng)CUT端加進(jìn)低于負(fù)向脈沖時(shí),下比較器A2輸出為高電平”1”.觸發(fā)器被置位.輸出為低電平.同時(shí)555的輸出端（THR腳）變?yōu)楦唠娖郊碫0=1,此時(shí),電路處于置位階段,進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài),當(dāng)CUT端的輸出脈沖消失后,下比較器A2雖然輸出為”0”,但觸發(fā)器輸出仍保持不變.故555的輸出端仍為高電平”1”.而在暫穩(wěn)期間, VDD 同點(diǎn)R4對(duì)電容器C2充電，電容C2上的電壓呈指數(shù)形上升,當(dāng)C上電壓充至 32 VDD 時(shí),即上較A1的同向端近到32 VDD 時(shí),A1輸出為高電平”1”,觸發(fā)器復(fù)位,且輸出變?yōu)楦?/p>

5、電平”1”,電容C上的電荷迅速放電到低電 平”0”.電路又復(fù)原到穩(wěn)態(tài). 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作特點(diǎn)是：第一、它有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和暫穩(wěn)狀態(tài)；第二、在外來(lái)觸發(fā)脈沖作用下，可從穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，此時(shí)開(kāi)關(guān)截止輸出電壓為Vdd；第三、經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后又自行回到穩(wěn)定狀態(tài)。暫穩(wěn)狀態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短，與觸發(fā)器脈沖無(wú)關(guān)，僅決定于電路本身的參數(shù)或者電路的閾值電壓以外接R、C參數(shù)有關(guān)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖寬度僅決定于定時(shí)元件R、C的取值，與輸入觸發(fā)信號(hào)和電源電壓無(wú)關(guān)，調(diào)節(jié)R、C的取值，即可方便的調(diào)節(jié)脈沖寬度，采用積分器作為輸入電路，積分器是輸出信號(hào)去控制單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，那樣就可以得到矩形脈沖的輸出。在本電路中的用途是能夠使電路

6、在輸出端上能得到可調(diào)的穩(wěn)定矩形脈沖。圖3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3、電子開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì) 電子開(kāi)關(guān)采用開(kāi)關(guān)三極管接成反向器形式，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0，當(dāng)觸發(fā)器輸出為低電平時(shí)，三極管截止，輸出近似等于+Vcc。圖4 電子開(kāi)關(guān)4、恒流源電路設(shè)計(jì)恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，而理想的恒流源應(yīng)該具有以下的特點(diǎn)：第一、不因負(fù)載輸出（輸出電壓）變化而變化；第二、不因環(huán)境溫度變化而變化；第三、內(nèi)存可以為無(wú)限大（以使其電流可以全部流到外面）?；镜暮懔髟措娐分饕怯奢斎霕O和輸出極構(gòu)成，輸入極提供參考電壓，輸出極輸出需要的恒定電流。恒流源電路具有輸出電流恒定、溫度穩(wěn)定性好、直流電阻很小但等

7、效交流輸出電阻卻和大的特點(diǎn)。恒流范圍大致為1uA-20A。它既可以為各種發(fā)大電路提供偏流以穩(wěn)定器靜態(tài)工作點(diǎn)，又可以作為其有源負(fù)載，以提高發(fā)大倍數(shù)，并且在差動(dòng)發(fā)大電路和脈沖產(chǎn)生電路中也得到廣泛的應(yīng)用，在本題目中就是利用脈沖產(chǎn)生電路。恒流源采用開(kāi)關(guān)三極管T和穩(wěn)壓二極管Dz等組件構(gòu)成的，其具體的電路如下所示，當(dāng)V為0時(shí)，D4和D5截止，D3導(dǎo)通，所以積分電容就通過(guò)三極管T放點(diǎn)，當(dāng)V等于1V時(shí)，D4和D5處于導(dǎo)通的狀態(tài)，D3就截止，輸入信號(hào)對(duì)積分電路充電。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端就得到矩形脈沖。電路圖如下：圖5 恒流源電路設(shè)計(jì)四、總原理圖及元器件清單1總原理圖圖6 總原理圖2元件清單元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)

8、數(shù)量備注R1RES20K3R3RES10K2R4RES6.2K1R7RES22K1R8RES4.3K1R9RES22K1R9RES100K1R10RES4.7K1C1CAP0.025uF1C2CAP10nF1C3CAP1nF 1DDIODE5D61N4735A1Q2N2222A1U2ALT1014A1U15551BAT1CELL15V1五、安裝與調(diào)試根據(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即積分器電路輸入信號(hào)控制單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時(shí)，積分電容充電，積分器輸出下降，當(dāng)降

9、至觸發(fā)器的觸發(fā)電平（1/3Vcc），555置位，使得積分電容通過(guò)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(kāi)始充電，從而形成振蕩。（1）、積分器相關(guān)計(jì)算：首先假設(shè)電容正向充電占總脈沖的0.5當(dāng)輸入端輸入電壓為1V時(shí)，整個(gè)積分電路輸出端的輸出電壓變化差值為1V，則由積分電路公式可得：-1V=*1V*0.5*T其中T=1/f=1.0*10-3可得：R2*C1=0.5*10-3，令C1=0.025Uf現(xiàn)電路中R5*0.025uF=0.5*10-3，符合計(jì)算得到的結(jié)果：R2=20千歐（2）、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器相關(guān)計(jì)算：輸出脈沖的寬度Tw等于暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間,而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)

10、時(shí)間長(zhǎng)短又取決于定時(shí)元件R和C的大小.要輸出10Khz的方波,則：Tw=T/2=1/10000=0.05ms,而Tw=R8C3ln3=1.1*R8*C3，取C3=1000Pf,可求出R8約為43千歐.按照電路圖可知：電容的放電的時(shí)間為：Tw=(2/3VCC-0)/(Vi*R1*C1)由上面可以知道：C1=0.025UfTw=T/2=1/10000=0.05ms,可以得到：R1=20千歐六、性能測(cè)試與分析（寫仿真調(diào)試與分析）輸入不同的Vi，波形不同，繼而反應(yīng)出頻率的變化，如：（1） Vi=1V時(shí)：圖7從圖上可知：T=962.50us，而根據(jù)f=1/T可知：f=1.03KHz(2)Vi=2V時(shí)：圖

11、8從圖上可知：T=484.00us，而根據(jù)f=1/T可知：f=2.04KHz(3)Vi=3V時(shí)：圖9從圖上可知：T=319.00us，而根據(jù)f=1/T可知：f=3.13KHz(4)Vi=4V時(shí)：圖10從圖上可知：T=242.00us，而根據(jù)f=1/T可知：f=4.13KHz(5)Vi=5V時(shí)：圖11從圖上可知：T=192.67us，而根據(jù)f=1/T可知：f=5.10KHz(6)Vi=6V時(shí)：圖12從圖上可知：T=158.68us，而根據(jù)f=1/T可知：f=6.04KHz(7)Vi=7V時(shí)：圖13從圖上可知：T=141.68us，而根據(jù)f=1/T可知：f=7.02KHz(8)Vi=8V時(shí)：圖14

12、從圖上可知：T=121.84us，而根據(jù)f=1/T可知：f=8.01KHz(9)Vi=9V時(shí)：圖15從圖上可知：T=110.51us，而根據(jù)f=1/T可知：f=9.09KHz(10)Vi=10V時(shí)：圖16從圖上可知：T=96.34us，而根據(jù)f=1/T可知：f=10.20KHz綜合上面所給出的數(shù)據(jù)，列出了整體表格輸入電壓Vi/v12345678910充電時(shí)間T/us962.50484.00319.00242.00192.67158.68141.68121.84110.5196.34頻率f/KHz1.032.033.134.135.106.047.028.019.0910.2七、結(jié)論與心得本次的

13、課程設(shè)計(jì)，我所設(shè)計(jì)的是電壓頻率變換器。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)習(xí)到了很大東西，了解了更多模擬電路的知識(shí)，認(rèn)識(shí)到理論和實(shí)踐還是有很大的差別，同時(shí)為今后的學(xué)習(xí)和工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在起初看到這個(gè)課題的時(shí)候，我不知從何下手，感覺(jué)所學(xué)知識(shí)派不上用場(chǎng)，更不知如何應(yīng)用到實(shí)踐中來(lái)。雖然不知所措，但經(jīng)過(guò)多日在圖書館的查找資料和在網(wǎng)上查找資料，對(duì)整體的框架有了初步的了解和認(rèn)識(shí)。在確定了整體的框架后，我在參數(shù)確定上遇到了很大的困難，僅僅一個(gè)參數(shù)的確定和調(diào)試就花了我將近兩天的時(shí)間，不過(guò)最后我還是克服困難完成了這一難題。參數(shù)確定之后，由于在畫圖的時(shí)候不是很細(xì)心，畫錯(cuò)了好多地方，檢查好多次都沒(méi)有能夠完全把它改正，最后還

14、是我請(qǐng)教同學(xué)，讓其幫我搞定的，其實(shí)就一點(diǎn)錯(cuò)誤，這個(gè)錯(cuò)誤讓我意識(shí)到做什么事一定要細(xì)心。在這次課程設(shè)計(jì)中由于知識(shí)量小，遇到了一些困難，但最終還是完成了本次課程設(shè)計(jì)。雖然過(guò)程有點(diǎn)艱辛，但是能夠?qū)⒆约核鶎W(xué)應(yīng)用而做成有用的東西，心里還是很高興，由于一開(kāi)始的毫無(wú)頭緒，到一步步應(yīng)用只是去解決問(wèn)題，感覺(jué)很有成就感?？傊?，通過(guò)本次模擬電路的課程設(shè)計(jì)，讓我受益匪淺。不僅讓我在課堂上所學(xué)的知識(shí)得到了應(yīng)用，同時(shí)在實(shí)踐設(shè)計(jì)中使我學(xué)到的知識(shí)得到了更好的理解和掌握，更重要的是讓我掌握了一些課本上沒(méi)有的知識(shí)，通過(guò)我自己的學(xué)習(xí)和研究從而對(duì)電壓頻率轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)有了比較深刻的了解，讓我對(duì)電子這一學(xué)科產(chǎn)生了更加濃厚的興趣。通過(guò)這次課程

15、設(shè)計(jì)更加培養(yǎng)了我的自學(xué)能力與鉆研的精神，使我自己的實(shí)踐能力有了進(jìn)一步的提高，增加了將自己所學(xué)知識(shí)更好的應(yīng)用于實(shí)際的信心。同時(shí)讓我對(duì)Proutues這個(gè)軟件有了進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，使我對(duì)它有了更進(jìn)一步的了解和掌握。八、參考文獻(xiàn)1 康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.第四版.高等教育出版社 2 謝志萍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)M.電子工業(yè)出版社3 王增福，魏永明.新編線性直流穩(wěn)壓電源M.電子工業(yè)出版社4 程勇.實(shí)用穩(wěn)壓電源DIYM.福建科學(xué)出版社.2003.105 張新昌.集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用M.高等教育出版社，1985 6 楊世成.信號(hào)放大電路M.電子工業(yè)出版社，1985 7 江曉安.數(shù)字電子技術(shù)M.西安電子科技大學(xué)出版社,2002 8 康光華 數(shù)字電子技術(shù)北京M：高等教育出版社9 潘再平.電氣控制基礎(chǔ)M