电压频率转换电路.docx

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电压频率转换电路

模拟电路课程设计报告

设计课题：

电压/频率转换电路

专业班级：

09电信本

学生：

赖新

学　　号：

090802016　　　　

指导教师：

曾祥华

设计时间：

二0一一年一月一日

一、设计任务与要求

二、方案设计与论证

1、方案一：

电荷平衡式电路

2、方案二：

复位式电路

三、单元电路设计与参数计算

1、±12V直流稳压电源

2、积分器

3、滞回比较器

四、总原理图及元器件清单

五、安装与调试

六、性能测试与分析

1、直流源的性能测试与分析

2、电压—频率转换电路的性能测试与分析

七、结论与心得

八、参考文献

附：

物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩评定表

电压/频率转换电路

一、设计任务与要求

①将输入的直流电压（10组以上正电压）转换成与之对应的频率信号。

②用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。

（提示：

用锯齿波的频率与滞回比较器的电压存在一一对应关系，从而得到不同的频率.）

二、方案设计与论证

电压-频率转换电路（VFC）的功能是将输入直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压，故也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。

通常，它的输出是矩形波。

方案一、电荷平衡式电路：

如图所示为电荷平衡式电压-频率转换电路的原理框图。

　　电路组成：

积分器和滞回比较器，S为电子开关，受输出电压uO的控制。

　　设uI<0，；

　　uO的高电平为UOH，uO的低电平为UOL；

　　当uO=UOH时，S闭合，当uO=UOL时，S断开。

　　当uO=UOL时，S断开，积分器对输入电流iI积分，且iI=uI/R，uO1随时间逐渐上升；当增大到一定数值时，从UOL跃变为UOH，使S闭合，积分器对恒流源电流I与iI的差值积分，且I与iI的差值近似为I，uO1随时间下降；因为，所以uO1下降速度远大于其上升速度；当uO1减小到一定数值时，uO从UOH跃变为UOL回到初态，电路重复上述过程，产生自激振荡，波形如图（b）所示。

　　由于T1>>T2，振荡周期T≈T1。

uI数值愈大，T1愈小，振荡频率f愈高，因此实现了电压-频率转换，或者说实现了压控振荡。

　　电荷平衡式电路：

电流源I对电容C在很短时间放电的电荷量等于iI在较长时间充电的电荷量。

方案二、复位式电路：

电路组成：

　　复位式电压-频率转换电路的原理框图如图所示，电路由积分器和单限比较器组成，S为模拟电路开关，可由三极管或场效应管组成。

　　工作原理：

　　设输出电压uO为高电平UOH时S断开，uO为低电平UOL时S闭合。

当电源接通后，由于电容C上电压为零，即uO1=0，使uO=UOH，S断开，积分器对uI积分，uO1逐渐减小；一旦uO1过基准电压UREF，uO将从UOH跃变为UOL，导致S闭合，使C迅速放电至零，即uO1=0，从而uO将从UOL跃变为UOH，；S又断开，重复上述过程，电路产生自激振荡，波形如图（b）所示。

uI愈大，uO1从零变化到UREF所需时间愈短，振荡频率也就愈高

比较两方案可知，电荷平衡式电路的满刻度输出频率高，线性误差小，精度高，且电路简单、元器件较常见、能容易获得。

故采用方案一—电荷平衡式电路。

三、单元电路设计与参数计算

（一）±12V直流稳压电源

根据其设计流程图：

采用桥式整流电容滤波集成稳压块正负直流电源电路，原理图如下：

直流电源四个组成部分分析：

1、电源变压器。

其电路图如下：

由于要产生±12V的电压，所以在选择变压器时变压后副边电压u2应大于24V，由现有的器材可选变压后副边电压u2为15V的变压器。

2、整流电路。

其电路图如下：

桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

3、滤波电路。

其电路图如下：

滤波电容容量较大，一般采用电解电容器。

电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。

滤波电路输出电压波形如下：

4、稳压电路。

我们知道，三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。

调成管决定输出电压值。

由于本课程设计要求±12V的输出电压，所以我们选用7812和7912的三端稳压管

（二）积分器

积分电路的输入电压Ui和输出电压Uo的波形。

由于τ>>tp，电容缓慢充电，其上的电压在整个脉冲持续时间缓慢增长，当还未增长到趋于稳定值时，脉冲已告终止（t=t1）。

以后电容经电阻缓慢放电，电容上电压也缓慢衰减。

在输出端输出一个锯齿波电压。

时间常数τ越大，充放电越是缓慢，所得锯齿波电压的线性也就越好。

从波形上看，u2是对u1积分的结果。

因此这种电路称为积分电路。

在脉冲电路中，可应用积分电路把矩形脉冲变换为锯齿波电压，作扫描等用。

积分电路如图所示:

其中Rf是为了防止集成运放饱和。

运算关系：

uo=−1/RC∫uidt

设置R=10kΩ，C=1μF

当输入为阶跃信号时，输出电压波形如图所示：

（三）滞回比较器

1）电路结构：

滞回比较器电路见图所示。

它是从输出引一个电阻分压支路到同相输入端。

由电路有输出电压Uo=±Uz。

2）工作原理及传输特性

当输入电压UI从零逐渐增大，且U≤+UT时，Uo=+Uz，+UT称为上限阀值电平。

当输入电压Ui=+UT，Uo=-Uz。

--UT称为下限阀值电平。

当Ui逐渐减小，且Ui=--UT以前，Uo始终等于-Uz，因此出现了如图所示的滞回特性曲线：

回差电压

：

3）特点及应用

抗干扰能力较强。

一般用于波形的形成和变换。

四、总原理图及元器件清单

总原理图如下：

（1）电压—频率转换电路

（2）桥式整流电容滤波集成稳压块±12V直流电源

元器件清单如下：

元件序号

型号

主要参数

数量

备注

R1、R2、R4、R7

10K

4

0.1元

U1、U2

UA741

2

0.8元

C2、C6、C7

1UF

3

0.5元

R5、R3、R8

1K

3

0.1元

R6

2K

1

0.1元

D1

1N4007

7

0.1元

D4、D5

6．2V

2

0.1元

Tr

15V

1

9元

T1

LM7812

1

1.2元

T2

LM7912

1

1.2元

D2、D3

2

0.3元

C1、C3

3300uF

2

0.2元

C4、C5

0.1uF

2

0.2元

C8、C9

220uF

2

0.2元

五、安装与调试

（一）安装

依据已设计出的电路图，合理地在电路板上布局，拉线。

在安装的过程中注意以下几点：

1、大电解电容的正负极不能接反；

2、uA741的各管脚不能接错；

3、三端稳压管三个端的作用一定要分清；

4、二极管的正负极要辨清；

5、焊时拉线要直，焊点应均匀。

（二）调试

Ⅰ、直流源动态调试

将变压器插头插至220V交流电后，开始测变压器的副边电压U2及滤波输出电压U1、U2还有稳压管输入电压Ui1和Ui2，最后测试Uo1和Uo2。

这几个步骤应按顺序进行，若其中某一个步骤出现问题，应及时停下进程，切断电源，查找和想法排解故障。

Ⅱ、电压—频率转换电路动态调试

1、先用仿真软件将原理图仿真，观察其是否符合理论结果。

仿真结果如下：

可知原理图符合实验要求，达到预期结果。

2、实验箱调试

首先连接好电路，用示波器观察输出波形，若波形正确则说明电路正确。

然后改变不同的输入电压值、用函数信号发生器测其输出电压频率，若电压频率与理论值基本符合则说明电路符合要求。

若不符合则应逐级检查、逐级调整，直至符合要求。

经过调试，我们获得了成功，进一步肯定我们方案的正确性。

六、性能测试与分析

（一）直流源性能测试与分析

Ⅰ、直流源性能测试

在调试成功后，我们开始测试直流源各组成部分的输入及输出电压。

具体过程如下：

a、用万用表交流档测试副边电压U2，结果：

U2+=14.8V，U2-=-14.8V;

b、用万用表直流档测试滤波输出电压，结果：

Uo+=17.8V，Uo-=-17.9V;

c、用万用表直流档测试稳压管输入电压，结果：

Uo+=17.8V，Uo-=-17.9V；

d、用万用表直流档测试稳压管输出电压，结果：

Uo+=11.9V，Uo-=-12.0V；

Ⅱ、直流源数据处理及误差分析：

数据处理：

理论值：

变压器的副边电压：

U2+=+15VU2-=-15V；

滤波输出电压：

Uo+=+18VUo-=-18V；

稳压输入电压：

Uo+=+18VUo-=-18V；

稳压后输出电压：

Uo+=+12VUo-=-12V。

变压器副边：

η1=|14.8-15|/15×100%=1.33%

滤波输出（稳压输入）：

η2＝|17.8-18|/18×100%=1.11%

η3＝|-17.9+18|/18×100%=0.56%

稳压电压：

η4=|11.9-12|/12×100%=0.83%

η5=|-12.0+12|/12×100%=0

（二）电压—频率转换电路性能测试与分析

Ⅰ、电压—频率转换电路性能测试

a、在输入端加入直流信号12v，，用示波器观察输出波形

b、用函数信号发生器将输入的直流电压（10组正电压）转换成与之对应的频率信号

Ⅱ、电压—频率转换电路数据处理及误差分析：

由公式:

f=R2*|Ui|/（2R1*RW*C*UZ）可计算出电压频率。

数据处理：

测数

U的输入值

f的测量值

f的真实值

f的

误差

相对

误差

1

1

781

806

25

3.10%

2

2

1574

1613

39

2.42%

3

2.5

1991

2016

25

1.24%

4

3

2388

2419

31

1.28%

5

.3.5

2738

2823

85

3.01%

6

4

3141

3226

85

2.63%

7

4.5

3538

3629

91

2.51%

8

5

3985

4032

47

1.17%

9

6

4685

4839

154

3.18%

10

7

5452

5645

193

3.42%

（三）误差原因分析

1）集成块不是理想的集成块；

2）电子元器件存在缺陷，不是标准数值，比如电阻电容不够理想等；

3）电路之间的连线不是理想的，有电阻，使实验存在误差；

4）直流电源输出不是标准的正负12V。

5）焊接的电路板有焊点的接触性不好。

6）读取数据时由于人的感官误差和视觉误差。

7）参数设计的不是很标准。

8）信号源带负载能力差。

9）外界环境的影响导致误差。

七、结论与心得

（一）实验结论

直流电源：

（1）桥式整流电路由四只二极管组成，保证了在变压器副边电压的整个周期，负载上的电压和电流方向始终不变。

（2）电容滤波电路是利用电容的充放电作用，使输出的电压趋与平滑。

（3）在稳压管稳压电路中，只能使稳压管工作在稳压区，输出电压才能得到基本稳定。

电荷平衡式电压-频率转换电路：

（1）电荷平衡式电压-频率转换电路是由积分器和滞回比较器组成的电路。

（2）通过该电路能够实现电压-频率的转换。

（3）在输出波形不失真的围，f与

是成正比的关系，f随

的增大而增大。

（二）心得

通过此次模电电荷平衡式电压-频率转换电路课程设计，加强了我对模拟电子技术这门课程的理解，对其应用有了一定的认识，提高了我们综合运用知识的能以及分析问题、解决问题的能力。

此次模拟电子技术课程设计，让我懂得了实践的重要性。

即使课本知识掌握的很好，如果不会综合运用，也是一些支离破碎的无用的知识，而如果能够运用而实际动手能力很差，理论与实践结合不起来，学得再好也没用。

这次课程设计恰好是将课本知识与的巩固与综合运用结合来，再加上实际动手能力的培养三者结合起来的。

一方面，它加深与巩固了所学的各章节的理论，并将其综合运用，提高了我们综合运用知识的能力；另一方面，培养了我们对专业知识学习的趣。

课程设计中出现了很多问题。

比如说设计原理图时，必须懂得电荷平衡式电压-频率转换电路的工作原理。

电路设计过程及参数确定比较烦琐，我在算时会遇到很多问题，有时实在算不出来了就想放弃，但很快自己会意识到那是一种错误的想法，所以自己会给自己鼓劲继续往下进行，当算到最后时便会有很大的成就感，这强烈的激起了我学习的兴趣，我想这次课程设计对我以后的专业课程学习将有很大帮助。

一开始我们用的稳压管稳压值偏大，导致了实验结果波形不稳定，最后经过我们的仔细研究与讨论把问题解决了，成功的完成了这次实验设计。

这里，我首先要感谢我的指导老师—曾祥华老师，他细心地帮我解决了一系列问题，帮助我成功地完成了这次实验设计。

其次，我还要感谢王奇和吴浩月同学，帮助我更好地完成设计了实验。

八、参考文献

1、《电工电子实践指导》（第三版），王港元主编，科学技术（2009）

2、《电子线路设计、实验、测试》（第四版），罗杰，谢自美主编，电子工业（2009）

3、《电子技术课程设计指导》，彭介华主编，高等教育（2000）

4、《电子技术基础实验研究与设计》，兆仁主编，电子工业（2000）

5、《毕满清主编，电子技术实验与课程设计》，　　机械工业。

6、《用万用表检测电子元器件》，杜龙林编，科学技术（2001）

7、《新型集成电路的应用》，梁宗善，华中理工大学（2001）

8、《新颖实用电子设计与制作》，振江等编，电子科大（2000）。

物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩评定表

专业：

电子信息工程班级：

09电信本学号：

：

课题名称

设计任务与要求

设计报告成绩

评分标准：

①有合理的方案设计和论证、电路参数的计算、总原理图和清单。

（0-20分）

②电路板制作、调试规，有详细制作和调试过程。

（0-10分）

③电路板测试合理，对性能指标测试数据完整，正确；进行数据处理规，进行了误差计算和误差分析。

（0-15分）

④对课程设计进行了总结，有体会，并能提出设计的改进、建设性意见。

（0-5分）

设计报告成绩：

电子

作品成绩

评分标准：

①电路正确，能完成设计要求提出的基本功能。

（0-30分）

②电路板焊接工艺规，焊点均匀，布局合理。

（0-20分）

（其中直流电源部分占20%，功能部分80%）

电子作品成绩：

课程设计成绩

总成绩：

指导教师：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2011年1月15日