電壓、頻率變換器 13講解

2012~2013學(xué)年第二學(xué)期模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目:電壓頻率變換器專(zhuān)業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)： 二班姓名：李昂金紹模黃士禮李漢成李龍李寧李秀龍指導(dǎo)教師： 倪琳電氣工程院2013年5月18日

1、任務(wù)書(shū)課題名稱電壓/頻率變換器指導(dǎo)教師(職稱)倪琳?qǐng)?zhí)行時(shí)侗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(kāi)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)一個(gè)電壓/頻率變換電路，其主要指標(biāo)如下：輸出直流VI,輸出額定頻率為fo的矩形波，且fo^VI；VI變化范圍：0?10V；fo變化范圍：0?10KHz；2、 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)合格的電壓/頻率變換電路；要求繪出電路工作原理圖；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)；擬定設(shè)計(jì)電路圖的步驟；撰寫(xiě)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TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章 緒論 5\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)分析與功能 5\o"CurrentDocument"原理分析及電路圖設(shè)計(jì) 5\o"CurrentDocument"第二章電路的方框圖 6第三章各模塊方案設(shè)計(jì) 7積分器的設(shè)計(jì)方案 7\o"CurrentDocument"單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)計(jì) 7\o"CurrentDocument"電子開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì) 8\o"CurrentDocument"恒流源電路設(shè)計(jì) 9\o"CurrentDocument"基本計(jì)算 11\o"CurrentDocument"第四章電路工作原理 12\o"CurrentDocument"第五章電路的仿真與設(shè)計(jì)體會(huì) 13\o"CurrentDocument"仿真結(jié)果 13\o"CurrentDocument"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(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。【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變化的振蕩器，通過(guò)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。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(guò)一定反饋方式控制積分電容恒流放電，當(dāng)電容放電到某一閾域值時(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。可見(jiàn)，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VI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電壓/頻率交換器原理圖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(guò)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。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定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路。具體電路如下:

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)。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。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(lái)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。電子開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)電子開(kāi)關(guān)采用開(kāi)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。

恒流源電路設(shè)計(jì)恒流源電路可采用開(kāi)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)VI為0時(shí)，D2,D3截止，D4導(dǎo)通，所以積分電容通過(guò)三極管T放電。當(dāng)VI'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。?1N4933I.D2?1N4933I.D2....電壓/頻率變換器總體電路電路圖基本計(jì)算根據(jù)題目要求結(jié)合電路圖，輸入與輸出關(guān)系Vi^fO，題目要求輸入電壓的范圍為l~10V,而輸出頻率要求為1~1OKHZ，所以該VFC電路需有l(wèi)khz/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（〈1/3Vcc），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。因?yàn)閱畏€(wěn)態(tài)電路的充電時(shí)間tw=l.lR7*C1，選取R7為43k,Cl為lOOOp，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(kāi)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?，T2飽和導(dǎo)通，D2截止，D1導(dǎo)通，為T(mén)1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(kāi)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(guò)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，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)果曲Cndt曲Cndt；Dscopt-KCl輸入電壓為輸入電壓為5V時(shí):史Ascil}oMDC-pe--i(5ClAC口匚EcbeLeveITfcllEtJ 5沁|bQEim^t)hiN■史Ascil}oMDC-pe--i(5ClAC口匚EcbeLeveITfcllEtJ 5沁|bQEim^t)hiN■RevetseExt.Tncger>a^e(JewrLBQlWQuGJHH1UC.dHfflVT2-T]ThikIDtKImElUMms匸伽右申亂3<?￥6.6D9V2.367V輸入佗壓為時(shí):OsJl舊汕De■拱SC1ic如T3TJh=u=nEClwreLA9.DOLV輸入佗壓為時(shí):OsJl舊汕De■拱SC1ic如T3TJh=u=nEClwreLA9.DOLVOwreJ卉0?7c.acnv-IS.OOCiVtxtlrq^f逐Q叵斗J■Char^a 吐I口皿VpCHrtETl|oTttkt&lvftui比.知LK&3.M7U5Xponb^np ^posbon|0卩阿冊(cè)|晞|#|嚴(yán)］＜1pF沖|*|&應(yīng)制亦SrqjNDF.Iflufcif誑W?EietJ ?5曲|曲」和”5.2收獲和體會(huì)經(jīng)過(guò)這一周對(duì)模電課程設(shè)計(jì)。使我們我們了解和掌握很多關(guān)于電子技能的知識(shí)，更好的認(rèn)識(shí)我們以后要接觸的電子產(chǎn)品。簡(jiǎn)單的了解和掌握了一些電子元件的運(yùn)用，極大的拓寬了我們的知識(shí)面，提高了以后學(xué)習(xí)生活中的動(dòng)手能力，給我們很大的啟發(fā)，有助于我們將來(lái)的學(xué)習(xí)和工作。兩周的課程設(shè)計(jì),此次更增加了大家的動(dòng)手實(shí)踐能力。而且，比起以往只要照著電路連線做實(shí)驗(yàn)，這次更添加了自己的思考，該選擇怎樣的電阻，電容，想要修改最后的輸出，應(yīng)該在什么地方做改變?？粗蠹易龀鰜?lái)的電路，并且系統(tǒng)

是活的，還是挺有成就感的，雖然還有很多問(wèn)題存在。于是我們開(kāi)始翻數(shù)電和模電的課本，看相關(guān)的內(nèi)容。整個(gè)課程設(shè)計(jì)過(guò)程，不僅是一個(gè)課程設(shè)計(jì)，也讓我們對(duì)于課本上的知識(shí)有了更深的了解，對(duì)于知識(shí)，也更加形象化了。一旦真正的應(yīng)用于實(shí)踐中，就會(huì)產(chǎn)生很多意想不到的驚喜與驚奇。這次課程設(shè)計(jì)，提高了我們的動(dòng)手能力和自己主動(dòng)分析解決問(wèn)題的能力，也讓我們意識(shí)到團(tuán)隊(duì)合作的重要性，只有讓每個(gè)人發(fā)揮自己的長(zhǎng)處，才會(huì)發(fā)揮團(tuán)隊(duì)的力量?？偠灾@樣的課程設(shè)計(jì)還是覺(jué)得這樣的課程是很有意義的。致謝首先，要感謝倪林老師對(duì)我們的悉心指導(dǎo)。在大二上學(xué)期中對(duì)我們向我們傳授了模電的相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，交給了我們很多學(xué)習(xí)方法。并引導(dǎo)我們解決學(xué)習(xí)中遇到的障礙，勇于知難而上。對(duì)此，我們感到非常的榮幸和自豪。再次感謝老師的幫助。參考文獻(xiàn)1】閻石主編，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）。清華大學(xué)出版社20062】翁飛兵陳棣湘主編，電子技術(shù)實(shí)踐教程，國(guó)防科技大學(xué)出版社，20033】畢滿清主編，電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社，2】翁飛兵陳棣湘主編，電子技術(shù)實(shí)踐教程，國(guó)防科技大學(xué)出版社，20033】畢滿清主編，電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社，20064】何光明主編，電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分），清華大學(xué)出版社，20045】王艷春主編，電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與Multisim仿真合肥工業(yè)大學(xué)出版社5】王艷春主編，附錄各種元件列表：表6.1電阻RR120KQR1020KR26.2KQR310KQR4100KQR54.7KQR622KQR743KQR820QR910KQR1020KQ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TLV2712CDGK 1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）倪琳答辯時(shí)間 2012~2013學(xué)年第二學(xué)期第12周答辯記錄1、 電壓頻率轉(zhuǎn)換器的含義：（李昂）電壓一頻率轉(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(lái)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（VoltageFrequencyConverter）是一種實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件，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(zhuān)用的壓一頻變換集成電路LM331來(lái)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