模电课程设计 电压频率变换器(DOC)

模拟电子技术基础
题目名称：电压/频率变换器
班级：
姓名：
学号：
完成日期： 2011-6-10
摘要
本实验是对信号的产生、处理及变换功能电路的设计，在实际生产和操作中有这应用广泛。

本设计是主要针对的是模拟电子技术课程的设计，具有可操作性和应用性，学生能够独立完成。

电路信号的转换已经在电子领域中广泛应用，如：采样/保持（S/H）电路、电压比较电路、V/f（电压/频率）变换器、f/V（频率/电压）转换器、V/I（电压/电流）转换器、I/V（电流/电压）转换器、A/D（模/数）转换器、D/A（数/模）转换器等。

可以从本实验中学习到更多的电路设计的方法，激发学生的设计兴趣和激情，为以后的学习和工作打下良好大的基础。

而V/f（电压/频率）转换器便是本实验的主要内容。

目录
一. 设计任务
二. 简略设计方案
三. 电路构成和部分参数计算
1．积分电路
2．单稳态触发器电路
3. 电子开关电路图
4．恒流源电路的设计
四．总原理图和元器件清单
1.总原理图
2.元件清单
五．基本计算与仿真调试分析
1.基本计算
2.仿真结果
六．PCB仿真图
七. 设计总结
八．参考文献
一、设计任务
1.设计一种电压/频率变换电路，输入υI为直流电压（控制信
号），输出频率为ƒO的矩形脉冲，且
fυI。

O
2.υI变化范围：0～10V。

3.ƒO变化范围：0～10kHz
4.转换精度<1% 。

二、设计方案
可知电路主要是由积分器、单稳态触发器、电子开关和恒流源电
三、电路构成和部分参数计算
1.、积分电路：
积分电路采用集成运算放大器和RC元件构成反向输入积分器。

电路图如下：
2、单稳态触发器电路
单稳态触发器由555定时器构成，单稳态触发器具有下列特点：第一、它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二、在外来触发脉冲的作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三、暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定的状态。

暂稳状态时间的长短，与触发器脉冲无关，仅决定于电路本身的参数或者电路阀值电压以外接R、C参数有关，单稳态触发器输出脉冲宽度t W仅决定于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节t W。

采用积分器作为输入电路，积分器是输出信号去控制单稳态触发器，那样就可以得到矩形脉冲的输出。

单稳态触发器在数字系统和装置中，一般用于定时（产生一定宽度的脉冲）、整形（把不规则的波形转换成等宽、等幅的脉冲）以及延时（将输入信号延迟一定的时间之后输出）等。

电路图如下：
3、电子开关电路图
电子开关由三极管接反向器的形式，当触发器输出高电平时，三极管饱和导通输出约为0，当触发器输出低电平时，三极管处于截止状态，其输出约为+Vcc。

电路图如下：
4、恒流源电路的设计
恒流源是输出电流保持恒定的电流源，而理想的恒流源应该具有以下的特点：第一、不因负载（输出电压）变化而变化；第二、不因环境温度变化而变化；第三、内存可以为无限大（以使其电流可以全部流到外面）。

基本的恒流源电路主要是由输入级和输出级构成，输入级提供参考电流，输出级输出需要的恒定电流。

恒流源电路具有输出电流恒定、温度稳定性好、直流电阻很小但等效交流输出电阻却很大的等特点。

恒流范围大致为1uA—20A。

它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高放大倍数，并且在差动放大电路和脉冲产生电路中也得到了广泛的应用，在本题目就是用于脉冲产生电路。

恒流源采用开关三极管T和稳压二极管Dz等组件构成的，其具体的电路入下图所示当V为0时，D9和D10截止，D1就导通，所以积分电容就通过三极管T放电，当V等于1V时，D9和D10处于导通的状态，D1就截止，输入信号对积分电路充电。

在单稳态触发器的输出端就得到矩形脉冲。

电路图如下：
四、总原理图和元器件清单
1、总原理图：
2、组件列表：
电阻 10K 2 电阻 20K 4 电阻 6.2K 1 电阻 22K 1 电阻 4.7K 1 电阻 100K 1 电阻 43K 1 电源 15V 1 电源 -15V 1 电容 1000PF 2 电容 0.1uF 1 运算放大器 1 NPN三极管 2
稳压管 2CW15 1
二极管 5
555定时器 1
五、基本计算与仿真调试分析
1、基本计算：
从题目的要求结合电路图，输入Vi和输出f0要成正比关系，这个题目要求输入电压的范围为1~10V，而输出频率要求为1~10KHZ，所以该电路需要有1Khz/V的换系数。

输入有信号电压Vin即积分器电路输入信号控制单稳态触发器，积分电容充电,当积分输出电压上升时，在小于触发器的触发电平（1/3Vcc），555定时器就会置位，通过电子开关后就会反馈回到积分器，当积分器电容经过恒流源放电并且积分电容上升到1/3Vcc后，又会使555复位，恒流源截止，此时积分器又开始充电，由此形成了振荡。

因为在单稳态电路的充电时间tw=1.1R4*C4,选取R4为43K，C3为10nF,从此确定充电时间约为0.05ms，根据所采用的恒流源电路及参数设置以及输入电压和输出频率的关系，就可以确定恒流源对积分电容反向充电时间，从而确定C1=10nf，R1=20K.得出公式：=
2、仿真结果：
I.Vi=1v时:
II.Vi=3v时：
III.Vi=6v时：
IV.Vi=8v时：
V.Vi=10v时：
测试数据结果
六、PCB 仿真图
PCB 原理图如下： i v 电压（V ） 0
1 2 3 4 5 6 8 10 0f 频率（kHz ）
0 0．97 1．95 2．98 3.90 4.92 6.01 7.99 9．89
PCB实物连接如下：
七、设计总结
电压频率变换器是将模拟电压信号转换成频率信号的仪器，主要是一个积分的过程
这次课程设计，学到了很多，理论和实际还是有很大差别的，能够将自己的所学运用而做成有用的东西，心里还是非常高兴的，由一开始的无头绪，到一步步运用知识去解决问题，然后与同学交流合作共同探讨，虽然艰辛，但过程还是非常快乐的，这会为我以后的课题设计和工作打下良好的基础。

（注：由于multisim7元件较少，所以用的是multisim11做的原理图和仿真图）
八、参考文献
[1]《电子技术课程设计指导》彭介华编，高等教育出版社
[2]《模拟电子技术基础》童诗白，华成英编，高等教育出版社。