模电创新实验报告--电压频率转换器的设计.doc

Liaoning Normal University开放实验室项目研究论文 题 目： 电压频率转换器的设计学 院： 物理与电子技术学院专 业： 电子信息工程班级序号： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2011年11月电压频率转换器学生： 指导教师： 物理与电子技术学院电子信息工程专业2009级摘要：本系统利用了LF741和NE555的原理及性能设计了频率电压以及电压频率转换电路，实现了0—10V电压与0Hz--10kHz频率的相互转换，电路简单，转换结果线性度好关键字：LF741； NE555； 频率； 电压； 转换 Abstract:The system uses the principle and characteristic of LF741&NE555 to design the frequency-to-voltage and the voltage-to- frequency conversion circuits, realizes the frequency of 0Hz--10kHz and the voltage of 0 - 10V’s transformation , the circuits are simple and result have good linearity.Key-word:LF741; NE555; frequency; voltage; transformation 前言电压/频率变换器实质上是一种振荡频率随外加控制变换器。

其主要是通过输入电压控制输出频率，电压/频率变换电路的输出信号频率fo与输入电压Ui成正比，所以在调频，锁扣，和模/数变换等许多领域中，得到了非常广泛的应用，电压/频率变换电路中的主要部分已经能集成在一块硅片上，这就为它的广泛应用创造了有利条件压控振荡器的应用十分广泛，若用方波作为控制电压，压控振荡器就是双频振荡器，能交替输出两种频率的波型，若用正弦交流电压作为控制电压，压控振荡器就成了调频振荡器，能输出抗干扰能力很强的调频波，上述各类信号波形以应用于各种智能测试设备和自动控制系统中电压/频率变换器还具有精度高，线性度高，温度系数低，功耗低，动态范围宽的一系列优点1．电压/频率变换器目的与要求1.1设计电压/频率变换器的要求及性能指标要求：设计一种电压/频率变换器，输入Vi为直流电压（控制信号），输出频率为f矩形脉冲（1）电压/频率变换器输入Vi为直流电压（控制信号），输出频率为f0的矩形脉冲，且2）Vi变化范围：0~103）f0变化范围：0~10kHz4）转换精度<1%电压/频率变换器设计方案的实现：利用输入电压的大小改变电容的充电速度，从而改变振荡电路的振荡频 率，故采用积分器作为输入电路。

积分器的输出信号去控制电压比较器或者单稳态触发 器，可得到矩形脉冲输出，由输出信号电平通过一定反馈方式控制积分电容恒流放电， 当电容放电到某一域值时，电容 C 再次充电由此实现 Vi 控制电容充放电速度，即控制输出脉冲频率1.2设计电压/频率变换器的总体框图及工作原理 积分器 单稳态触发器 电子开关恒流源图1 电压/频率变换器的总体框架 工作原理：电压/频率变换器的输出信号频率f0与输入电压vi的大小成正比，输入控制电压v1常为直流电压，也可以根据要求选用脉冲信号作为控制电压其输出信号可为正弦波或者脉冲波形电压如图1-3所示，利用输入电压的大小改变电容器的充电速度，从而改变振荡电路的振荡频率，可以用积分器作为输入电路积分器的输出信号去控制电压比较器或者单稳态触发器，可得到矩形脉冲输出，由输出信号电平通过一定反馈方式控制积分电容恒流放电，当电容放电到某一定值时，电容再次充电所以，输出脉冲信号的频率决定于电容的充放电速度，即决定于vi值的大小，从而就实现电压/频率变换2． 电压/频率变换器各部分电路设计2.1 积分器设计积分器采用集成运算放大器和 RC 元件构成的反向输入积分器。

具体电路如下：图2 积分电路2.2 单稳态触发器设计单稳态触发器采用 555 定时器构成的单稳电路具体电路如下：图3 单稳态触发器单稳态触发器采用555元件一个外接电阻R和电容C元件构成的定时网络假设当电源加上后置位端CUT无触发信号即在稳定状态,输出为低电平,触发器输出电平,定时器电容C上的电压=0由于555的TRI、GND脚短接,故上比较器A1的反相端和下比较器A2的同向端分别偏置在 和处这个电位就是比较器翻转与否的门限电压值.当CUT端加进低于负向脉冲时,下比较器A2输出为高电平”1”.触发器被置位.输出为低电平.同时555的输出端（THR脚）变为高电平即V0=1,此时,电路处于置位阶段,进入暂稳态,当CUT端的输出脉冲消失后,下比较器A2虽然输出为”0”,但触发器输出仍保持不变.故555的输出端仍为高电平”1”.而在暂稳期间, 同点R4对电容器C2充电,电容C2上的电压呈指数形式上升为(t)= (1- )当C上电压充至 时,即上比较A1的同向端近到 时,A1输出为高电平”1”,触发器被复位,且输出变为高电平”1”,电容C上的电荷迅速放电到低电平”0”.电路又复原到稳态. 单稳态触发器工作特点是：只有一个稳定状态，即无信号触发时，电路处于稳定状态保持电子开关导通；在外来触发脉冲作用下，可从稳定状态翻转到暂稳态，此时开关截止输出电压为Vdd；经过一段时间后又自行回到稳定状态。

在本电路中的用途是能够使电路在输出端上能得到可调的稳定矩形脉冲2.3 电子开关设计电子开关采用开关三极管接成反向器形式，当触发器的输出为高电平时，三极管饱和导通，输出近似为 0，当触发器输出为低电平时，三极管截止，输出近似等于+Vcc2.4 恒流源电路设计图4 电子开关恒流源电路可采用开关三极管 T，稳压二极管 Dz 等元件构成具体电路如下所示当 V1’为 0 时，D2，D3 截止，D4 导通，所以积分电容通过三极管 T 放电当 V1’为 1 时，D2， D3 导通，D4 截止，输入信号对积分电容充电在单稳态触发器的输出端得到矩形脉冲3．电压/频率变换器总体电路3.1电路图图5 总电路图3.2电路PCB图图6 PCB图3.3电路实物图图7 实物图3.4电路性能分析电路的输入电压在0~10V范围内变化时，该电路有1KHz/V的转换系数，可变换为0~10Khz的频率，当超过10kKHz时，非线性误差约在0.02%左右电路在工作中要求相对于满刻度的输入电流时：（1）的偏置电流要小2） 由于是频率输出所以要求输出电阻要小此电路的误差因素如下：温度漂移：由Ic1、Ic2的偏置电压、电流漂移，及R1、C1、R2、C2等元件电流、电压的漂移决定。

本电路的场合，零点漂移0.02%/10℃，短时间间隔漂移为0.2%/10℃左右误差的出现也与积分电容C1和单稳触发器电容C2的充放电时间常数有关因此RC要选择适当3.5电路组装与调试根据题目要求结合电路图，输入与输出关系 Vi∝f0，题目要求输入电压的范围为1~10V，而输出频率要求为 1~10KHZ，所以该 VFC 电路需有 1khz/v 的换系数输入有信 号电压 Vin 时，积分电容充电，积分器输出下降，当降至触发器的触发电平（〈1/3Vcc），555 置位，使得积分电容通过恒流源反向充电，当积分电容电压上升到 2/3Vcc 时，又使555 复位，积分电容又开始充电，从而形成振荡因为单稳态电路的充电时间 tw=1.1R9*C3,选取 R9 为 43k,C3 为 1000p，确定充电时间约为 0.05ms根据所采用的恒 流源电路及参数设置以及输入电压与输出频率的关系，可确定恒流源对积分电容反向充 电时间，从而确定 C1=0.1uf，R1=20K按照电路图焊接电路，VCC=15V,VEE=-15V,输入端连接稳压电源，输出端连接示波器，在输入端输入线性增长的电压，输出端所连示波器所读出的波形频率也成线性增长。

但本实验并没有得到预想的实验数据，原因可能是实际所连接的电路元件与理论值有误差，导致实验结论的误差3.6元件清单器件型号个数器件型号个数电阻10K2电容1000pF2电阻20K4电容0.1uF1电阻6.2K1运算放大器LF7411电阻22K1NPN三极管2电阻4.7K1稳压管2CW151电阻100K1二极管5电阻43K1定时器1电源15V1电源-15V14 总结本次课程设计，我所设计的是电压/频率变换器通过这次课程设计让我了解了更多模拟电路的知识，为今后的学习打下了坚实的基础在起初着手这个课设的时候，不知从何下手，觉得所学知识派不上用场，更不知如何应用到实践中来虽然不知所措，但经过多日在图书馆的查找资料，对整体的框架有了初步的认识其中，参数确定显得由为困难由于知识量小，遇到了一些困难，但最终还是完成了本次课程设计总之，通过本次模拟电路的课程设计，使我受益匪浅不但使我所学的课堂上的知识得到了应用，在实践设计中使我学到的知识得到更好的掌握，并且掌握了一些课本上没有的知识，通过自己的学习和研究从而对电压/频率转换器结构有了深刻了解，使我对电子这一学科产生了更加浓厚的兴趣通过这次设计更培养了自己的自学能力与钻研的精神。

使自己的实践能力有了进一步的提高，增加了将自己所学知识更好的应用于实际的信心参考文献[1] 康华光编 .电子技术基础.高等教育出版社[M]，1999[2] 张新昌编.集成运算放大器的应用.高等教育出版社[M]，1985[3] 杨世成编.信号放大电路.电子工业出版社[M]，1985[4] 江晓安编.数字电子技术.西安电子科技大学出版社[M],2002[5] 康光华 数字电子技术北京[M]：高等教育 出版社[6] 潘再平.电气控制基础[M]. 杭州：浙江大学出版社,2003[7] 刘涤尘.电气工程基础[M]. 武汉：武汉理工大学出版社，2002[8] 曾新民, 曾天剑编 .运算放大器应用手册.电子工业出版社[M ], 1990[9] 吴运昌编.模拟集成电路原理与应用.华南理工大学出版社[M]，2006[10] 李哲英编.实用电子电路设计.电子工业出版社[M]，1995[11] 徐开友编.低频电子线路.天津大学出版社[M],2002。