电压频率和频率电压转换电路的设计

模电设计课程设计报告题目：电压/频率变换器姓名：班级：学号：指导老师：2011年 1 月12 日1 绪论（1）电压/频率转换即v/f转换，是将一定的输入信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。

它的功能是将输入直流电压转换频率与其数值成正比的输出电压，故也称电压控制振荡电路。

如果任何一个物理量通过传感器转换成电信号后，以预处理变换为合适的电压信号，然后去控制压控振荡电路，再用压控振荡电路的输出驱动计数器，使之在一定时间间隔内记录矩形波个数，并用数码显示，那么可以得到该物理量的数字式测量仪表。

图1 数字测量仪表电压/频率电路是一种模/数转换电路，它应用于模/数转换，调频，遥控遥测等各种设备。

（2）F/V转换电路F/V转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号。

这种电路主要包括电平比较器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。

它有通用运放F/V转换电路和集成F/V转换器两种类型。

1.1设计要求设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波的电路,要求包括：积分器；电压比较器和一个将给定频率的矩形波转换为直流电压的电路，要求包括：过零比较器、单稳态触发器、低通滤波器等。

1.2 设计指标(1）输入为直流电压0-10V，输出为f=0-500Hz的矩形波。

（2）输入ui是0~10KHZ的峰-峰值为5V的方波，输出uo为0~10V的直流电压。

2 设计内容总体框图设计2．1 V/F转换电路的设计2.1.1 工作原理及过程积分器和滞回比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图 2所示，比较器输出的矩形波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成矩形波，这样便可构成三角波，矩形波发生器。

由于采用集成运放组成的积分电路，因此可以实现恒流充电，能够得到比较理想的矩形波。

通过分析可知，矩形波幅值大小由稳压管的稳定电压值决定，即方波的幅值OLM Z V V =± 。

矩形波的振荡频率 2.1.2 模块功能 积分器：积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即输入电压与输出电压的积分成正比。

滞回比较器：用来输出矩形波，积分器得到的三角波可触发比较器自动翻转形成矩形波。

稳压管：用来确定矩形波的幅值。

图 2 总体框架图 2.2 功能模块的设计2.2.1 积分电路工作原理积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即输入电压与输出电压的积分成正比。

由于同相积分电路的共模输入分量大，积分误差大，应用场合少，所以不予论述，本课程设计用到的是反相积分电路。

31214R f R C R =图 3 积分器反相积分电路如图 3 所示，电容器C 引入交流并联电压负反馈，运放工作在线性区。

由于积分运算是对瞬时值而言的，所以各电流电压均采用瞬时值符号。

由电路得因为“-”端是虚地，即U-=0,并且 o C u u u -=-+ 1(0)C C C u i dt u C=+⎰ 式中(0)C u 是积分前时刻电容C 上的电压，称为电容端电压的初始值。

所以 1(0)o i C u u dt u RC=--⎰ 把1iC u i i R==代入上式得 1(0)o i C u u dt u RC =--⎰当(0)0C u =时 1o i u u dt RC =-⎰若输入电压是图所示的阶跃电压，并假定(0)0C u =,则t>=0时，由于i u E = ， 所以1o Eu Edt t RC RC=-=-⎰ 由此看出，当E 为正值时，输出为反向积分，E 对电容器恆流充电，其充电电流为E/R ，故输出电压随线性变化。

当o u 向负值方向增大到集成运放反向饱和电压OL U 时，集成运放进入非线性工作状态，o OL u U = 保持不变，图3所示。

如输入是方波，则输出将是三角波，波形关系如图4所示。

当时间在0～1t 期间时，i u E =-电容放电101t o E u Edt t RC RC=--=+⎰ 当t=1t 1时，o om u U =+当时间在1t ～2t 期间时，i u E =+电容充电，其初始值 11()()C o om u t u t U =-=-2211111()t t C C om t t u Edt u t Edt U RC RC =+=-⎰⎰ 所以课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 211t oComomt Eu u Edt U t U RC RC=--+=-+⎰ 当 t=2t 时，o om u U =-。

如此周而复始，即可得到三角波输出。

图4 波形变换上述积分电路将集成运放均视为理想集成运放，实际中是不可能的，其主要原因是存在偏置电流，失调电压，失调电流及其温漂等。

因此，实际积分电路 uo 与输入电压关系与理想情况有误差，情况严重时甚至不能正常工作。

解决这一情况最简便的方法是，在电容两端并接一个电阻f R ，利用f R 引入直流负反馈来抑制上述各种原因引起的积分漂移现象。

但f R C 数值应远大于积分时间，即T/2 ，T 为输入方波的周期否则f R 的自身也会造成较大的积分误差，电路如图4所示. 2.2.2 滞回比较器简单的电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差， 如果输入信号因受干扰在阀值附近变化，如图所示，现将此信号加进同相输入的过零比较器，则输出电压将发生不应该出现的跳变，输出电压波形如图所示。

用此输出电压控制电机等设备，将出现错误操作，这是不允许的。

滞回比较器能克服简单的比较器抗干扰能力差的缺点，滞回比较器如图5所示。

滞回比较器具有两个阀值可通过电路引入正反馈获得。

图 5 滞回比较器按集成运放非线性运用特点，根据下列公式可得知，输出电压发生跳变的临界条件是u u -+= 。

从图 5可得R u U -=111R o f fR Ru U u R R R +=-+ 当 u u -+= 时所对应的i u 值就是阀值，即 11(1)TH R o f fR RU U u R R =+- 当 o OL u U = 时得上阀值： 111(1)TH R OL f f R RU U U R R =+- 当 o OH u U = 时得下阀值： 112(1)TH R OH f fR RU U U R R =+- 由阀值可画出其传输特性。

假设i u 为负电压，此时u +<u - 输出为OL U ，对应其阀值为上阀值1TH U 。

如逐渐使 i u 上升，只要i u >1TH U ，则输出o OL u U = 将不变，直至i u >=1TH U 时，u +>u - ，使输出电压由OL U 突跳至OH U ，对应其阀值为下阀值2TH U 。

i u 再继续上升，u +>u - 关系不变，所以输出o OH u U = 不变。

之后 i u 逐渐减少，只要i u >2TH U ，输出o u +2TH U 仍维持不变，直至i u <=2TH U 时，u+<=u- ，输出再次突变，由 OH U 下跳至OL U 。

其同相滞回比较器的传输特性如图 6 所示。

同样的方法可求得反相滞回比较器的阀值电压和传输特性：1123f R OHTH R U RU U R R +=+其传输特性如图6所示。

显然，改变 UR 即可改变其阀值，从而改变了传输特性，图6所示是Ur=0 的情况，此时，两个电路的传输特性均以纵轴对称。

图6 传输特性 2.2.3 稳压管稳压二极管的工作原理是利用 PN 结的击穿特性。

稳压二极管反向击穿后的伏安特性是十分陡峭的，也就是说，通过稳压管的电流有很大变化时，其两端电压变化却很小，几乎是恒定的。

利用这种特性可以构成所要求的稳压电路， 为限流电阻，用来限制稳压管中的最大电流。

输入电压或负载发生变化而引起稳压管电流变化时，输出电压即稳压管两端电压几乎为一恒定值。

图 7 稳压二极管3 设计心得两周的课程设计，增加了自己的动手实践能力。

理论与实践还是有一定的差距的，在理论上不管多精确的数据，一旦用于实际中，就不得不考虑其仪器，器件的误差，以及自己操作上的能力。

1223f R OLTH R U RU U R R +=+而且，比起以往只要照着电路连线做实验，这次更添加了自己的思考，该选择怎样的电阻，电容，想要修改最后的输出，应该在什么地方做改变。

虽然是一些很基础的东西，但仅仅是书上的理论学习，会让人对知识遗忘得比较快，相反，通过自己动手实践过的东西，会更加记忆深刻。

看着自己连接出来的电路，并且系统是活的，还是挺有成就感的，虽然还有很多问题存在。

整个课程设计过程，不仅是一个课程设计，也让我对于课本上的知识有了更深的了解，对于知识，也更加形象化了。

一味地只是看书本，背公式，计算题目，理论上好像都能理解的东西，一旦真正的应用于实践中，就会产生很多意想不到的惊喜与惊奇。

原来觉得很难想通或想到的内容，在实验中会不经意地发现“原来是这样”，自己当初怎么就不到呢？4 元器件清单：5 参考文献:[1] 江晓安, 董秀峰. 模拟电子技术[M].西安: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[M].北京:高等教育出版社，1997[3] 梁宗善. 电子技术基础课程设计[M].武汉：华中理工大学出版社，1997[4] 赵家贵. 电子电路设计[M].北京:中国计量出版社，2005[5] 孙肖子,邓建国.电子设计指南 [M].北京:高等教育出版社，2005[6] 江晓安，董秀峰.模拟电子技术[M].西安电子科技大学出版社 2002[7] 谢嘉奎.电子线路(线形部分) [M].北京：高等教育出版社 1999[8] 童诗白，华成英主编.模拟电子技术基础第三版[M]. 北京：清华大学。