模拟电子技术课程设计——频率、电压转换电路的设计

淮海工学院课程设计报告书
课程名称：模拟电子技术课程设计题目：频率/电压转换电路的设计系（院）：电子工程学院
学期：12-13-1
专业班级：电子112
姓名：冒佳卫
学号：2011120649
1 引言
本设计实验要求对函数发生器、比较器、F/V变换器LM331、反相器和反相加法器的主要性能和应用有所了解，要能掌握其使用方法。

同时要了解它们的设计原理。

本设计实验要求我们要灵活运用所学知识，对设计电路的理论值进行计算得到理论数据，在与实验结果进行比较。

1.1 设计目的
当正弦波信号的频率f i在200Hz~2kHz范围内变化时,对应输出的直流电压V i在1~5V范围内线形变化。

1.2 设计内容
设计一个频率/电压转换电路，将给定的正弦波信号的频率转化成相对应的直流电压。

设计的各部分包括：比较器、F/V转换器、反相器、反相加法器。

1.3 主要技术要求
（1）输入为正弦波频率200—2000Hz; 输出为电压1—5V；
（2）正弦波信号源采用函数波形发生器的输出；
（3）采用±12V电源供电。

2 频率/电压转换器的总体框图设计
=1~5V
函数波形发生器输出的正弦波比较器变换成方波。

方波经F/V变换器变换成直流电压。

直流正电压经反相器变成负电压，再与参考电压V R通过反相加法器得到V o
3 频率/电压转换器的功能模块设计
3.1 函数信号发生器ICL8038芯片介绍
3.1.1 ICL8038作用
ICL 8038 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部元件就能产生从 0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。

输出
波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。

另外由于该芯片具有调频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。

3.1.2 ICL8038管脚介绍
图 2 ICL8038
表1 引脚功能介绍
3.2 比较器电路的设计
过零比较器的原理
过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。

原理是利用比较器对两个输入电压进行比较。

两个输入电压一个是参考电压Vr，一个是待测电压Vu。

一般Vr从正相输入端接入，Vu从反相输入端接入。

根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电压。

当参考电压已知时就可以得出待测电压的测量结果，参考电压为零时即为过零比较器。

用比较器构造的过零比较器存在一定的测量误差。

当两个输入端的电压差与开环放大倍数之积小于输出阈值时探测器都会给出零值。

例如，开环放大倍数为106，输出阈值为6v时若两输入级电压差小于6微伏探测器输出零。

这也可以被认为是测量的不确定度。

由于本次比较器的作用只是将输入的正弦信号转换为方波信号，所以可以选用最简单的过零比较器实现这一目标，电路图3所示：
图3 过零比较器
3.3 F/V变换器电路的设计
3.3.1 频率-电压转换器
图4 LM331的管脚图
表 2 LM331引脚功能
3.3.2 F/V变换器的内部结构图
图 5 LM331的内部结构图
LM331的内部电路组成如图5所示。

由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。

输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0～40V之间，输出可高达40V，而且可以防止Vcc短路。

3.3.3 F/V变换器的原理
由LM331构成的频率－电压转换电路如图6所示，输入脉冲f i经R1、C1组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。

输入比较器的同相输入端经电阻R2、R3分压而加有约2Vcc/3的直流电压，反相输入端经电阻R1加有Vcc的直流电压。

当输入脉冲的下降沿到来时，经微分电路R1、C1产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的Vcc上，当负向尖脉冲大于Vcc/3时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源I R对电容C L充电，同时因复零
晶体管截止而使电源Vcc通过电阻R t对电容C t充电。

当电容C L两端电压达到2Vcc/3时，定时比较器输出高电平使触发器复位，此时电流开关打向左边，电容C L通过电阻R L放电，同时，复零晶体管导通，定时电容C t迅速放电，完成一次充放电过程。

此后，每当输入脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。

从前面的分析可知，电容C L的充电时间由定时电路R t、C t决定，充电电流的大小由电流源IR决定，输入脉冲的频率越高，电容C L上积累的电荷就越多输出电压(电容C L两端的电压)就越高，实现了频率－电压的变换。

按照前面推导V/F表达式的方法，可得到输出电压V O与f i的关系为：
V O=2.09R l R t C t f i/R s
电容C1的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输入比较器，但电容C1小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。

电阻R L和电容C L组成低通滤波器。

电容C L大些，输出电压V O的纹波会小些，电容C L小些，当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。

图 6 LM331F/V电路图
3.3.4 LM331用作FVC的典型电路
LM331用作FVC 的电路如图8所示
f i
因为 mA
2.02
V R CC x -=
在此 V CC =12V
所以 R x =50k Ω取 R x =51 k Ω
i t t S
L
o f C R R R 09
.2V = 取 R S =14.5 k Ω 则得 V o =f i ×10 –3V
由此得V o 与f i 在几个特殊 频率上的对应关系如表2所示。

图8中f i 是经过微分电路470pF 和10 k Ω加到○6脚上的。

○6脚上要求的触发电压是脉冲，所以图8中的f i 应是方波。

3.4 反相器电路的设计
3.4.1 反相器的选择
反相器的电路如图9所示。

100k
+V CC
V o1
V i1
图5-1-6
因为都是直接耦合，为减小失调电压对输出电压的影响，所以运算放大器采用低失调运放OP07。

由于LM331的负载电阻R L =100k Ω（见图9），所以反相器的输入电阻应为100 k Ω，因而取R L =100。

因为 反相器的A u =-1， 所以 R 4=R L =100 k Ω
即 平衡电阻R 5=R L //R 4=50 k Ω
3.5 反相加法运算电路的设计
图9 反相器电路
3.5.1 反相加法运算器的原理
反相加法运算电路是运用集成运算放大器LM741接外接电路组成的具有将输入的信号不同比例放大后叠加反相输出功能的运算电路。

反相加法运算电路的基本电路如图所示。

同相端接地，输入信号从反相端输入，当运算放大器的开环增益足够大时，其输入端为虚地，Vs1和Vs2均可通过R1和R2转换为电流，实现代数的相加运算，其输出电压
Vo= -（Rf/R1 Vs1+ Rf/R2 Vs2） 当R1=R2=R 时
Vo= - Rf/R （Vs1+ Vs2）
这就是加法运算的表达式，式中的负号是因反相输入所引起的。

3.5.2 反相加法运算器元件参数的确定
用反相加法器是因为它便于调整—--可以独立调节两个信号源的输出电压而不会相互影响，电路如图10所示。

V o3
V o
V R
图5-1-9
设f i =200Hz 时为V o3，要求V o1=1V ，则f i =2000Hz 时为10V o3要求V o1=5V
由 )R R
V R R V (V 9
10R 6103
o o +-= 得 =+-)R R
V R R V (9
10R 6103
o 1
（1）
图10 反相加法器
=+-)10(9
106103
R R
V R R V R o 5
（2）
（1）—（2）：9
4
R R V 4R R V 96103o 6103
o -=→-= （3） （1）⨯10—（2）：9
5
R R V 5R R V 9910R 910R
-=→=- （4）
由(4)，若取V R = -1V ，则
9
5
R R 910=，取定一个电阻就可确定另一个。

即 若取V 9
5
V R -=，则R 10=R 9，取定R 10、R 9。

知道R 10，则由⑶根据V o3大小，可确定R 6。

设V o3= -0.2V ，则
9
20
R R 610=， 从而得 106R 20
9
R =
， 令 R 10=20 k Ω。

所以 R 6=9k Ω
平衡电阻R 11≈R 10//R 6//R 9=4.7 k Ω。

参考电压V R 可用电阻网络从-12V 电源电压分压获取，如图11所示。

9
5
)12()//(//9872
98-=-⨯++=
R R R R R R V W R
若取 R 8=1k Ω，则R 8//R 9=0.952 k Ω R w2+R 7=19.6 k Ω 取 R 7= 15 k Ω R w2用10 k Ω电位器。

4 总电路图设计
EE
5 元器件清单
6 总结
通过这次频率/电压转换电路的设计，让我受益匪浅，从中我学到了很多书本上学不到的知识，比如一个人应怎样学会独立地思考解决问题，出现差错时怎样随机应变，怎样学会与他人合作、共同提高等等。

其中让我感到最有价值的是增加了我的动手实践能力，真正的做到了学以致用。

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。

让我知道了没有付出就没有收获。

这学期我学习了《电子线路（线性部分）》的知识，因为知识繁多，所以在课堂上不能一一弄明白，这一次的课程设计给了我机会，让我对低频知识有了更加深刻的认识。

我拿到的题目是——频率/电压转换器电路的设计，首先是先理解题目的要求，再自己查阅书籍作为参考，然后通过和同学的讨论把自己不同的地方搞清楚明白，最后确定方案并设计出电路图。

在这一个星期的设计过程中，我设计了包括：比较器、F/V转换器、反相器、反相加法器。

在做课程设计的过程之中我认为最难的是电路图的部分，可能因为是我第一次做课
程设计的缘故吧，再加上我没有学过什么画出软件，所以在画出的部分我感觉到了有点力不从心，最后好在有了同学的帮忙才使我完成了最后的电路图的设计，这让我感觉到非常的开心。

在做设计的过程中使我对课本上的理论知识有了更深一步的理解，同时也让我知道自己在实践方面有很多的不足，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多课本上学不到的知识，让我懂得了理论与实际相结合时很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的知识与实践结合起来，才能真正的提高自己的实际动手能力和独立思考能力，总而言之，这次的课程设计，对我来说很有意义。

课程设计不当培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。

希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些！
7 参考文献
[1]江晓安.董秀峰模拟电子技术. 西安电子科技大学出版社,2002
[2]彭介华.电子技术课程设计指导.高等教育出版社,1997
[3]梁宗善.电子技术基础课程设计.华中理工大学出版社,1995
[4]谢嘉奎主编.电子线路(线形部分)第四版.北京：高等教育出版社,1999
[5]童诗白,华成英主编.模拟电子技术基础,第三版.北京：高等教育出版社,2001。