三.电压—频率转换电路实验报告——MultiSim仿真

电压/频率转换电路

一、设计任务与要求

①将输入的直流电压转换成与之对应的频率信号。

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在很短时间内放电的电荷量等于iI在较长时间内充电的电荷量。

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）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内缓慢增长，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R f 是为了防止集成运放饱和。

运算关系： u o = − 1 /R C ∫ u i d t

设置 R = 10 k Ω， C = 1 μF

当输入为阶跃信号时，输出电压波形如图所示：

（二）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U

I 从零逐渐增大，且U≤+U

T

时，U

o

=+ Uz，+U

T

称为上限阀值电

平。

Z 211T U R R R U +±=±

当输入电压Ui=+U T ，Uo = - Uz 。--U T 称为下限阀值电平。

当Ui 逐渐减小，且Ui= --U T 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U ∆： Z U R R R U U U 212 T T 2)(+=

--+=∆

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

电压—频率转换电路

五.仿真结果:

六、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内，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范围内，f 与I U 是成正比的关系，f 随I U 的增大而增大。

(二)心得

通过此电压-频率转换电路设计，加强了我对课程的理解，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。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兴趣。