電壓頻率變換器設(shè)計(jì)

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)(論文)電壓/頻率變換器院（系）名稱電子與信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)電子131班學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師起止時(shí)間：2015.7.6—2015.7.19課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：電子與信息工程學(xué)院教研室：電子信息工程學(xué)號(hào)130404006學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)電子131班課程設(shè)計(jì)（論文）題目電壓/頻率變換器課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)任務(wù)要求：電壓/頻率變換器是一種振蕩頻率隨外加控制電壓變化的振蕩器，其輸出信號(hào)頻率與輸出電壓的大小成正比。由振蕩電路、電壓比較器等部分電路組成。技術(shù)要求：1、設(shè)計(jì)放大器所需的直流穩(wěn)壓電源。2、電壓/頻率變換器輸入Vi為直流電壓（控制信號(hào)），輸出頻率為fo的矩形脈沖，且fo∝Vi。3、Vi變化范圍：0~10。4、fo變化范圍：0~10kHz。5、轉(zhuǎn)換精度<1%。6、利用Multisim（或EWB）進(jìn)行電路仿真與調(diào)試。指導(dǎo)教師評(píng)語及成績平時(shí)成績：答辯成績：論文成績：作品成績：總成績：指導(dǎo)教師簽字：年月日注：平時(shí)成績占20%，答辯成績占20%，論文成績占40%，作品成績20%。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）PAGEII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，使積分電路能隨外加電壓的不同而產(chǎn)生不同頻率的鋸齒波，故采用LM324集成放大器構(gòu)成的積分器作為輸入電路。積分器的輸出信號(hào)去控制由LM324集成放大器構(gòu)成的電壓比較器（遲滯比較器），電壓比較器（遲滯比較器）的輸出信號(hào)返回到積分器，可得到矩形脈沖輸出，輸出頻率與輸入電壓基本呈線性關(guān)系，滿足輸出信號(hào)頻率的大小與輸出電壓的大小成正比，即fo∝Vi。Vi變化范圍：0～10，fo變化范圍：0～10kHz。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。放大器的所需的直流穩(wěn)壓電源采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路，該電路的輸出電壓值范圍可調(diào)。熟練掌握運(yùn)算放大器基本電路的原理，并掌握它們的設(shè)計(jì)、測量和調(diào)整方法。本系統(tǒng)采用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真測試。在保證功能的前提下控制器件成本。采用單面印制電路板對整體電路進(jìn)行合理的布線，并進(jìn)行焊接與調(diào)試。輸出信號(hào)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求且穩(wěn)定工作。關(guān)鍵詞：鋸齒波；電壓比較器；充放電；積分器

目錄第1章緒論 11.1電壓/頻率變換器的發(fā)展概況 11.2本文研究內(nèi)容 1第2章電壓/頻率變換器總體設(shè)計(jì)方案 12.1電壓/頻率變換器設(shè)計(jì)方案論證 12.2總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析 1第3章電壓/頻率轉(zhuǎn)換器單元電路設(shè)計(jì) 13.1電壓/頻率變換器具體電路設(shè)計(jì) 13.1.1直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì) 13.1.2同相輸入遲滯電壓比較器電路設(shè)計(jì) 13.1.3積分器電路設(shè)計(jì) 13.2元器件型號(hào)選擇 13.3參數(shù)計(jì)算 13.4電壓/頻率變換器總體電路圖 1第4章鋸齒波發(fā)生器電路仿真與調(diào)試 14.1Multisim仿真與調(diào)試 14.2仿真結(jié)果分析 1第5章電壓/頻率變換器實(shí)物制作 15.1電壓/頻率變換器電路焊接 15.2電壓/頻率變換器電路作品 1第6章作品測試與數(shù)據(jù)分析 1第7章總結(jié) 1參考文獻(xiàn) 1附錄I 1附錄II 1PAGE2PAGE18第1章緒論1.1電壓/頻率變換器的發(fā)展概況隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品的功能日益強(qiáng)大，與人們?nèi)粘Ｉ畹穆?lián)系日益緊密。電子產(chǎn)品向小型化，精密化的趨勢快速發(fā)展。任何的電子系統(tǒng)中，信號(hào)產(chǎn)生電路都是全系統(tǒng)得以正常工作的基礎(chǔ)，也是制約電路處理信號(hào)的速度、精度的重要因素。信號(hào)源的精度決定著全電子系統(tǒng)的精度。電子技術(shù)的發(fā)展常常以信號(hào)發(fā)生技術(shù)的進(jìn)步為基礎(chǔ)。電壓/頻率變換器是一種實(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)，且輸出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，隨著電壓/頻率變換器的快速發(fā)展，它成為了各種測量儀表、數(shù)字儀表、自動(dòng)化儀表等儀器不可缺少的核心部件。電壓/頻率變換器的出現(xiàn)最初是為了克服工頻干擾而發(fā)展起來的積分型數(shù)字電壓表的核心電路，近十多年來，由于計(jì)算機(jī)的使用日益擴(kuò)大，對于電壓/頻率變換器的應(yīng)用已深入到各個(gè)領(lǐng)域。在生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為了便于測量，也需將電量轉(zhuǎn)變成可計(jì)數(shù)的脈沖。在當(dāng)今計(jì)算機(jī)及微處理機(jī)廣泛應(yīng)用的時(shí)代,對于電壓/頻率變換器的需求量越來越大。1.2本文研究內(nèi)容本文研究內(nèi)容為設(shè)計(jì)一款頻率與輸入Vi（直流電壓控制信號(hào)）成正比的方波發(fā)生電路。使用集成運(yùn)算放大器為主要器件組成遲滯電壓比較器和充放電時(shí)間常數(shù)不等的積分器。設(shè)計(jì)合適的直流穩(wěn)壓電源電路等核心部件。選擇合適的外圍分立元件組成鋸齒波發(fā)生器。通過對調(diào)節(jié)外圍分立元件的參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率的大小與輸出電壓的大小成正比。分立元件的數(shù)量相對較少，結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定。技術(shù)要求：1、設(shè)計(jì)電路所需的直流穩(wěn)壓電源。2、電壓/頻率變換器輸入Vi為直流電壓（控制信號(hào)），輸出頻率為fo的矩形脈沖，且fo∝Vi。3、Vi變化范圍：0~10。4、fo變化范圍：0~10kHz。5、轉(zhuǎn)換精度<1%。6、利用Multisim（或EWB）進(jìn)行電路仿真與調(diào)試。第2章電壓/頻率變換器總體設(shè)計(jì)方案2.1電壓/頻率變換器設(shè)計(jì)方案論證方案1：用通用型運(yùn)算放大器構(gòu)成微分器和電壓遲滯比較器,其輸出與輸入的三角波信號(hào)頻率成正比。方案2：利用芯片LM331設(shè)計(jì)電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，輸入電壓通過濾波之后直接輸入芯片，在芯片外部接入由電容電阻所構(gòu)成充放電電路，就能夠組成電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，并且轉(zhuǎn)換精度較高。比較兩種設(shè)計(jì)方案，與方案2相比，方案1用運(yùn)算放大器組成遲滯比較器就能滿足鋸齒波電路轉(zhuǎn)化成方波性能要求。其結(jié)構(gòu)更加簡單、可靠性更高、制作成本低廉、調(diào)試更加方便。所以選擇方案1。2.2總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析如圖2.1所示，本電壓/頻率變換器由與之適配的直流穩(wěn)壓電源供電，由遲滯電壓比較器和充放電時(shí)間常數(shù)不等的積分器構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)鋸齒波電壓的輸出。由輸出的鋸齒波信號(hào)作為電壓比較器的輸入信號(hào)，電壓比較器輸出的方波作為積分器的輸入信號(hào)。由于積分器充放電時(shí)間常數(shù)不同所以輸出的信號(hào)為鋸齒波。輸出方波輸出方波返回信號(hào)產(chǎn)生鋸齒波輸入信號(hào)直流穩(wěn)壓電源電壓比較器積分電路直流穩(wěn)壓電源圖2.1總體設(shè)計(jì)方框圖第3章電壓/頻率轉(zhuǎn)換器單元電路設(shè)計(jì)3.1電壓/頻率變換器具體電路設(shè)計(jì)3.1.1直流穩(wěn)壓電源如圖3.1所示，本電壓/頻率變換器設(shè)計(jì)要求為運(yùn)放供電值為±5V。以此為依據(jù)設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源的輸出電壓為±15V采用220V50Hz市電輸入。由變壓器降壓、二極管整流電橋整流、濾波電容C1濾波，變?yōu)椤?0V直流電壓信號(hào)。本電路可以輸出穩(wěn)定的±5V電壓用于為構(gòu)成遲滯電壓比較器和積分器的集成運(yùn)算放大器供電。圖3.1直流穩(wěn)壓電源電路原理圖3.1.2同相輸入遲滯電壓比較器電路設(shè)同相輸入遲滯電壓比較器以經(jīng)過反饋通路反饋回來的積分器輸出的鋸齒波電壓信號(hào)作為輸入信號(hào)，與自身輸出的矩形波信號(hào)進(jìn)行電壓比較。整個(gè)單元電路承擔(dān)著向積分器提供一定幅值和頻率的矩形波信號(hào)用以產(chǎn)生鋸齒波的作用。其輸出的矩形波頻率受輸入的鋸齒波頻率控制，二者近似相等。所以遲滯電壓比較器重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)為上下門限、門限寬度及輸出矩形波電壓幅值。其輸入和輸出的波形對應(yīng)關(guān)系如圖3.2所示。ViViVT-VTt-VzVzOVo圖3.2同相輸入遲滯電壓比較器輸入-輸出關(guān)系如圖3.3所示同向輸入遲滯電壓比較由集成運(yùn)算放大器及電阻反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。設(shè)運(yùn)算放大器同相輸入端電壓為那么存在如下關(guān)系(3-1)設(shè)運(yùn)算放大器的反相輸入端電位為由理想運(yùn)算放大器虛短、虛斷的關(guān)系可得在電路翻轉(zhuǎn)時(shí)存在(3-2)設(shè)門限電壓為,門限寬度為。由式（3.1.1）（3.1.3）可得(3-3)由于穩(wěn)壓二極管的存在可得如下關(guān)系式(3-4)(3-5)(3-6)(3-7)VViVO圖3.3同相輸入遲滯電壓比較器原理圖3.1.3積分器電路設(shè)計(jì)積分器電路采用集成運(yùn)算放大器LM324和RC元件構(gòu)成的反向輸入積分器。積分電路圖如圖3.4所示：反向積分電路可以完成輸出信號(hào)對輸出信號(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。VVOVi圖3.4積分電路3.2元器件型號(hào)選擇在直流穩(wěn)壓電源部分，為了得到穩(wěn)定的電壓輸出為運(yùn)算放大器供電。選擇9014兩個(gè)三極管作為調(diào)整電路。以兩個(gè)電阻和一個(gè)電位器來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，采用二極管1N4735來實(shí)現(xiàn)電路的穩(wěn)壓狀態(tài)。由整流電橋整流、電容濾波產(chǎn)生±20V較為平穩(wěn)的電壓信號(hào)?？紤]到輸出電壓的幅值和市電10%的波動(dòng)范圍，整流橋由四只1N4007整流二極管組成。濾波電容采用2000μF和1000μF電解電容。在遲滯比較器部分，由于該鋸齒波發(fā)生器的工作頻率上限被設(shè)定為10kHz。在此頻率下工作使用集成運(yùn)算放大器就能較好的實(shí)現(xiàn)比較功能。所以考慮到成本，直接選用LM324集成運(yùn)算放大器和電阻反饋網(wǎng)絡(luò)組成遲滯電壓比較器。在積分電路部分，選擇LM324構(gòu)成核心的積分電路。由于鋸齒波電路要求充電時(shí)間盡可能的小，以及考慮到電路輸出信號(hào)的頻率范圍，可以選擇0.1uF獨(dú)石電容作為積分電路的充電電容。3.3參數(shù)計(jì)算直流穩(wěn)壓電源部分的電壓輸出值可以調(diào)至±5V。直流穩(wěn)壓電源輸出電壓計(jì)算：變壓后次級(jí)線圈電位： （3-8）穩(wěn)壓二極管D2電位：(3-9)穩(wěn)壓二極管D3電位：(3-10)輸出電壓值范圍：(3-11)(3-12)如果忽略二極管的正向電阻，電路的振蕩周期為(3-13)代入?yún)?shù)計(jì)算得，其振蕩頻率在0~10kHz連續(xù)可調(diào),滿足設(shè)計(jì)要求。3.4電壓/頻率變換器總體電路圖電壓/頻率變換器電路的總體電路圖如圖3.5所示，輸入Vi控制積分電路的振蕩頻率，輸出方波的頻率不同。圖3.5鋸齒波發(fā)生器總體電路圖第4章鋸齒波發(fā)生器電路仿真與調(diào)試4.1Multisim仿真與調(diào)試應(yīng)用Multisim12.0仿真軟件對各部分電路進(jìn)行仿真測試，便于在電路實(shí)物制作之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，改正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、調(diào)試電路。如圖4.1所示，為輸入電壓時(shí)積分電路產(chǎn)生的鋸齒波。圖4.1積分器產(chǎn)生的鋸齒波如圖4.2所示，輸入電壓為1V是，產(chǎn)生的方波的頻率，滿足實(shí)驗(yàn)要求。圖4.2輸入1V產(chǎn)生的方波的頻率如圖4.3所示，為輸入電壓為1V是，電壓比較器電路產(chǎn)生的方波。 圖4.3輸入1V產(chǎn)生的方波如圖4.4所示，為輸入電壓為10V是，電壓比較器電路產(chǎn)生的方波的頻率。基本接近于10kHz，忽略誤差，滿足實(shí)驗(yàn)要求。圖4.4輸入10V產(chǎn)生的方波的頻率如圖4.5所示，為輸入電壓為10V是，電壓比較器電路產(chǎn)生的方波。 圖4.5輸入10V產(chǎn)生的方波4.2仿真結(jié)果分析對直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行了較全面的仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，穩(wěn)壓二極管電壓VD7約為2.6V左右，其輸出電壓輸出范圍為3.9～7.8V，在誤差允許的范圍內(nèi)，結(jié)果表明此電路能穩(wěn)定輸出電壓，可以給放大器供電。對積分電路與電壓比較器電路進(jìn)行仿真測試，根據(jù)仿真結(jié)果，積分電路能隨外加電壓不同產(chǎn)生頻率的鋸齒波，經(jīng)過電壓比較器后，其輸出波形為方波，頻率與輸入電壓基本呈線性關(guān)系，滿足輸出信號(hào)頻率的大小與輸出電壓的大小成正比，即fo∝Vi。Vi變化范圍：0～10，fo變化范圍：0～10kHz。在誤差允許的范圍內(nèi)，滿足任務(wù)書要求，可以運(yùn)行。將兩部分電路整理結(jié)合后，進(jìn)行仿真測試，仿真結(jié)果幾乎無變化，滿足任務(wù)書的要求，可以運(yùn)行。第5章電壓/頻率變換器實(shí)物制作5.1電壓/頻率變換器電路焊接具體電路的布線與焊接，為了防止電路分布參數(shù)影響工作狀態(tài)產(chǎn)生誤差，應(yīng)該盡量避免飛線，盡量縮短導(dǎo)線長度。為防止測試操作過程中將運(yùn)放芯片的電源反接導(dǎo)致芯片燒毀導(dǎo)致安全事故。應(yīng)該合理布置電源接口，并予以標(biāo)注各接地電應(yīng)該牢固連接并接出接口。信號(hào)輸出接口應(yīng)予以符號(hào)標(biāo)出。電壓/頻率變換器實(shí)物布線圖如圖5.1所示。圖5.1電壓/頻率變換器電路焊接布線圖5.2電壓/頻率變換器電路作品如圖5.2所示，為焊接的實(shí)物正面作品。為縮小版面尺寸，應(yīng)合理緊密選擇器件位置，各輸出端應(yīng)合理布置測試點(diǎn)，電源和接地線應(yīng)留出接口。為方便測試，應(yīng)用圖示標(biāo)出各測試接口的功能。圖5.2電壓/頻率變換器作品第6章作品測試與數(shù)據(jù)分析本次測試采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供的更加穩(wěn)定的±5V雙電源供電便于更好的測試、調(diào)試作品。采用雙通道數(shù)字示波器同時(shí)觀測矩形波的波形。示波器各通道的接地線應(yīng)與電源接地線良好連接避免干擾。如圖6.1所示，為電壓輸入為1V時(shí)產(chǎn)生的波形。輸出頻率約為1.4KHZ，滿足設(shè)計(jì)要求。圖6.1電壓為1V時(shí)產(chǎn)生的波形如圖6.2所示，為電壓輸入為10V時(shí)產(chǎn)生的波形。波形產(chǎn)生交越失真以及頂部未出現(xiàn)方波形式，頻率約為16KHZ，高于設(shè)計(jì)要求。圖6.2電壓為10V時(shí)產(chǎn)生的波形第7章總結(jié)時(shí)間一點(diǎn)點(diǎn)的逼近了，耗時(shí)2周的課程設(shè)計(jì)即將結(jié)束，在老師的指導(dǎo)和自己的努力下我的模電課設(shè)也完成了。電壓/頻率變換器的功能已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)過程中，老師指引我們將本學(xué)期來學(xué)習(xí)的模電理論知識(shí)與實(shí)踐想結(jié)合起來，依據(jù)軟件仿真測試的方法，將電路逐漸完善，從可行性研究、需求分析、總體設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)，到電路實(shí)現(xiàn)，測試，這其中遇到無數(shù)問題，有的是設(shè)計(jì)上的，有的是技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的，在解決這些問題的過程中，我深深的領(lǐng)悟到了電路開發(fā)的奧妙，也使我對不同電路的不同功能有了濃厚的興趣。本設(shè)計(jì)通過方案對比選出如下方案首先要求電壓/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（遲滯比較器），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)Vi控制電容充放電速度，即控制輸出脈沖頻率。可見，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)。電路由四部分組成，分別是積分器，電壓比較器（遲滯比較器），直流穩(wěn)壓電源，恒流源組成。輸入端連接穩(wěn)壓