模擬電子技術(shù)課程設(shè)計——頻率、電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

1、課程設(shè)計、實習(xí)報告專用紙淮海工學(xué)院課程設(shè)計報告書 課程名稱： 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計 題 目： 頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 系 （院）： 電子工程學(xué)院 學(xué) 期： 12-13-1 專業(yè)班級： 電子 112 姓 名： 冒佳衛(wèi) 學(xué) 號： 2011120649 評語：成績：簽名日期：1 引言 本設(shè)計實驗要求對函數(shù)發(fā)生器、比較器、F/V變換器LM331、反相器和反相加法器的主要性能和應(yīng)用有所了解，要能掌握其使用方法。同時要了解它們的設(shè)計原理。本設(shè)計實驗要求我們要靈活運(yùn)用所學(xué)知識，對設(shè)計電路的理論值進(jìn)行計算得到理論數(shù)據(jù)，在與實驗結(jié)果進(jìn)行比較。1.1 設(shè)計目的 當(dāng)正弦波信號的頻率fi在200Hz2kHz范圍內(nèi)變

2、化時,對應(yīng)輸出的直流電壓Vi在15V范圍內(nèi)線形變化。1.2 設(shè)計內(nèi)容設(shè)計一個頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，將給定的正弦波信號的頻率轉(zhuǎn)化成相對應(yīng)的直流電壓。設(shè)計的各部分包括：比較器、F/V轉(zhuǎn)換器、反相器、反相加法器。1.3 主要技術(shù)要求（1）輸入為正弦波頻率2002000Hz; 輸出為電壓15V；（2）正弦波信號源采用函數(shù)波形發(fā)生器的輸出；（3）采用±12V電源供電。2 頻率/電壓轉(zhuǎn)換器的總體框圖設(shè)計圖1 總體框圖 函數(shù)波形發(fā)生器輸出的正弦波比較器變換成方波。方波經(jīng)F/V變換器變換成直流電壓。直流正電壓經(jīng)反相器變成負(fù)電壓，再與參考電壓VR通過反相加法器得到Vo3 頻率/電壓轉(zhuǎn)換器的功能模塊設(shè)計3

3、.1 函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038芯片介紹3.1.1 ICL8038作用 ICL 8038 是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整個別的外部元件就能產(chǎn)生從 0.001HZ300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)頻信號輸入端, 所以可以用來對低頻信號進(jìn)行頻率調(diào)制。 3.1.2 ICL8038管腳介紹圖 2 ICL8038 表1 引腳功能介紹腳號引腳代號功能1、12Sine Wave Adjust正弦波失真度調(diào)節(jié)2Sine Wave Out正弦波輸出3Triangle Out三角波輸出4、5Duty Cy

4、cle Frequency方波的占空比調(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對稱調(diào)節(jié)6V+正電源±10V±18V7FMBias內(nèi)部頻率調(diào)節(jié)偏置電壓輸入8FM Sweep外部掃描頻率電壓輸入9SquareWaveOut方波輸出，為開路結(jié)構(gòu)10TimingCapacitor外接振蕩電容11V orGND負(fù)電原或地13、14NC空腳3.2 比較器電路的設(shè)計過零比較器的原理 過零比較器被用于檢測一個輸入值是否是零。原理是利用比較器對兩個輸入電壓進(jìn)行比較。兩個輸入電壓一個是參考電壓Vr，一個是待測電壓Vu。一般Vr從正相輸入端接入，Vu從反相輸入端接入。根據(jù)比較輸入電壓的結(jié)果輸出正向或反向飽和電壓。

5、當(dāng)參考電壓已知時就可以得出待測電壓的測量結(jié)果，參考電壓為零時即為過零比較器。用比較器構(gòu)造的過零比較器存在一定的測量誤差。當(dāng)兩個輸入端的電壓差與開環(huán)放大倍數(shù)之積小于輸出閾值時探測器都會給出零值。例如，開環(huán)放大倍數(shù)為106，輸出閾值為6v時若兩輸入級電壓差小于6微伏探測器輸出零。這也可以被認(rèn)為是測量的不確定度。由于本次比較器的作用只是將輸入的正弦信號轉(zhuǎn)換為方波信號，所以可以選用最簡單的過零比較器實現(xiàn)這一目標(biāo)，電路圖3所示： 圖3 過零比較器3.3 F/V變換器電路的設(shè)計3.3.1 頻率-電壓轉(zhuǎn)換器 圖4 LM331的管腳圖表 2 LM331引腳功能腳號引腳代號功能1CURRENT OUTPUT電流

6、輸出2REFERENCE CURRENT參考電流3FERQUENCY OUTPUT頻率輸出4GND接地5R/C接R/C6THRESHOLD門檻電壓7COMPARATOR INPUT輸入8VS電源3.3.2 F/V變換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 5 LM331的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 LM331的內(nèi)部電路組成如圖5所示。由輸入比較器、定時比較器、RS觸發(fā)器、輸出驅(qū)動管、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成。輸出驅(qū)動管采用集電極開路形式，因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。LM331可采用雙電源或單電源供電

7、，可工作在4.040V之間，輸出可高達(dá)40V，而且可以防止Vcc短路。3.3.3 F/V變換器的原理由LM331構(gòu)成的頻率電壓轉(zhuǎn)換電路如圖6所示，輸入脈沖fi經(jīng)R1、C1組成的微分電路加到輸入比較器的反相輸入端。輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻R2、R3分壓而加有約2Vcc/3的直流電壓，反相輸入端經(jīng)電阻R1加有Vcc的直流電壓。當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時， 經(jīng)微分電路R1、C1產(chǎn)生一負(fù)尖脈沖疊加到反相輸入端的Vcc上，當(dāng)負(fù)向尖脈沖大于Vcc/3時，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時電流開關(guān)打向右邊，電流源IR對電容CL充電，同時因復(fù)零晶體管截止而使電源Vcc通過電阻Rt對電容Ct充電。當(dāng)電容C

8、L兩端電壓達(dá)到2Vcc/3時，定時比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，此時電流開關(guān)打向左邊，電容CL通過電阻RL放電，同時，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時電容Ct迅速放電，完成一次充放電過程。此后，每當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時，電路重復(fù)上述的工作過程。從前面的分析可知，電容CL的充電時間由定時電路Rt、Ct決定，充電電流的大小由電流源IR決定，輸入脈沖的頻率越高，電容CL上積累的電荷就越多輸出電壓(電容CL兩端的電壓)就越高，實現(xiàn)了頻率電壓的變換。按照前面推導(dǎo)V/F表達(dá)式的方法，可得到輸出電壓VO與fi的關(guān)系為： VO=2.09RlRtCtfi/Rs 電容C1的選擇不宜太小，要保證輸入脈沖經(jīng)微分后有足夠的幅度來

9、觸發(fā)輸入比較器，但電容C1小些有利于提高轉(zhuǎn)換電路的抗干擾能力。電阻RL和電容CL組成低通濾波器。電容CL大些，輸出電壓VO的紋波會小些，電容CL小些，當(dāng)輸入脈沖頻率變化時，輸出響應(yīng)會快些。 圖 6 LM331F/V電路圖3.3.4 LM331用作FVC的典型電路 LM331用作FVC的電路如圖8所示 V0圖8 LM331用作FVC的電路 因為 在此 VCC=12V所以 Rx=50k取 Rx=51 k取 RS=14.5 k則得 Vo=fi×10 3V由此得Vo與fi在幾個特殊 頻率上的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。 表4 Vo和fi的 關(guān)系Fi(Hz)200650110015512000Vo(V

10、)0.200.651.111.552.00圖8中fi是經(jīng)過微分電路470pF和10 k加到腳上的。腳上要求的觸發(fā)電壓是脈沖，所以圖8中的fi應(yīng)是方波。3.4 反相器電路的設(shè)計 3.4.1 反相器的選擇反相器的電路如圖9所示。圖9 反相器電路因為都是直接耦合，為減小失調(diào)電壓對輸出電壓的影響，所以運(yùn)算放大器采用低失調(diào)運(yùn)放OP07。由于LM331的負(fù)載電阻RL=100k（見圖9），所以反相器的輸入電阻應(yīng)為100 k，因而取RL=100。因為 反相器的Au=-1，所以 R4=RL=100 k即 平衡電阻R5=RL/R4=50 k3.5 反相加法運(yùn)算電路的設(shè)計3.5.1 反相加法運(yùn)算器的原理反相加法運(yùn)算

11、電路是運(yùn)用集成運(yùn)算放大器LM741接外接電路組成的具有將輸入的信號不同比例放大后疊加反相輸出功能的運(yùn)算電路。反相加法運(yùn)算電路的基本電路如圖所示。同相端接地，輸入信號從反相端輸入，當(dāng)運(yùn)算放大器的開環(huán)增益足夠大時，其輸入端為虛地，Vs1和Vs2均可通過R1和R2轉(zhuǎn)換為電流，實現(xiàn)代數(shù)的相加運(yùn)算，其輸出電壓Vo= -（Rf/R1 Vs1+ Rf/R2 Vs2）當(dāng)R1=R2=R時 Vo= - Rf/R（Vs1+ Vs2）這就是加法運(yùn)算的表達(dá)式，式中的負(fù)號是因反相輸入所引起的。3.5.2 反相加法運(yùn)算器元件參數(shù)的確定用反相加法器是因為它便于調(diào)整-可以獨(dú)立調(diào)節(jié)兩個信號源的輸出電壓而不會相互影響，電路如圖10

12、所示。圖10 反相加法器 設(shè)fi=200Hz時為Vo3，要求Vo1=1V，則fi=2000Hz時為10Vo3要求V o1=5V由 得 1 （1）5 （2）（1）（2）：（3）（1）10（2）：（4）由(4)，若取VR= -1V，則，取定一個電阻就可確定另一個。即 若取，則R10=R9，取定R10、R9。知道R10，則由根據(jù)Vo3大小，可確定R6。設(shè)V o3= -0.2V，則，從而得 ， 令 R10=20 k。所以 R6=9k平衡電阻R11R10/R6/R9=4.7 k。參考電壓VR可用電阻網(wǎng)絡(luò)從-12V電源電壓分壓獲取，如圖11所示。圖11 獲取參考電壓VR的電路 若取 R8=1k，則R8/R

13、9=0.952 kRw2+R7=19.6 k取 R7= 15 kRw2用10 k電位器。4 總電路圖設(shè)計圖 12 總電路圖圖13 總電路圖5 元器件清單序號名稱數(shù)量1 函數(shù)信號發(fā)生器1臺2直流穩(wěn)壓電源1臺3毫伏表1臺4萬用表 1臺5低頻信號發(fā)生器1臺6LM3311臺7µA741 1臺8電位器、電阻、電容若干6 總結(jié)通過這次頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，讓我受益匪淺，從中我學(xué)到了很多書本上學(xué)不到的知識，比如一個人應(yīng)怎樣學(xué)會獨(dú)立地思考解決問題，出現(xiàn)差錯時怎樣隨機(jī)應(yīng)變，怎樣學(xué)會與他人合作、共同提高等等。其中讓我感到最有價值的是增加了我的動手實踐能力，真正的做到了學(xué)以致用。紙上得來終覺淺，絕知此

14、事要躬行。讓我知道了沒有付出就沒有收獲。這學(xué)期我學(xué)習(xí)了電子線路（線性部分）的知識，因為知識繁多，所以在課堂上不能一一弄明白，這一次的課程設(shè)計給了我機(jī)會，讓我對低頻知識有了更加深刻的認(rèn)識。我拿到的題目是頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計，首先是先理解題目的要求，再自己查閱書籍作為參考，然后通過和同學(xué)的討論把自己不同的地方搞清楚明白，最后確定方案并設(shè)計出電路圖。在這一個星期的設(shè)計過程中，我設(shè)計了包括：比較器、F/V轉(zhuǎn)換器、反相器、反相加法器。 在做課程設(shè)計的過程之中我認(rèn)為最難的是電路圖的部分，可能因為是我第一次做課程設(shè)計的緣故吧，再加上我沒有學(xué)過什么畫出軟件，所以在畫出的部分我感覺到了有點(diǎn)力不從心，最后好在有了同學(xué)的幫忙才使我完成了最后的電路圖的設(shè)計，這讓我感覺到非常的開心。在做設(shè)計的過程中使我對課本上的理論知識有了更深一步的理解，同時也讓我知道自己在實踐方面有很多的不足，不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多課本上學(xué)不到的知識，讓我懂得了理論與實際相結(jié)合時很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的知識與實踐結(jié)合起來，才能真正的提高自己的實際動手能力和獨(dú)立思考能力， 總而言之，這次的課程設(shè)計，對我來說很有意義。課程設(shè)計不當(dāng)培養(yǎng)了