电压频率转换器

课程设计说明书

课程名称：模拟电子技术课程设计

题目：电压频率转换器

学生姓名：

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指导教师：

日期：年月日

电压/频率变换器

一、设计任务与要求

说明：电压/频率变换电路实质上是一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器。

主要技术指标与要求：

（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、方案设计与论证

可知电路有积分器，单稳态触发器，电子开关和恒流源电路组成，狂徒如下：Array

1、电压/频率变换器的输入信号频率 f。与输入电压 Vi 的大小成正比，输入控制电压 Vi 常为直流电压，也可根据要求选用脉冲信号做为控制电压，其输出信号可为正弦波或者脉冲波形电压。

2、本设计利用输入电压的大小改变电容的充电速度，从而改变振荡电路的振荡频率，故采用积分器作为输入电路。积分器的输出信号去控制电压比较器或者

单稳态触发器，可得到矩形脉冲输出，由输出信号电平通过一定反馈方式控制

积分电容恒流放电，当电容放电到某一域值时，电容 C 再次充电。由此实现 Vi 控制电容充放电速度，即控制输出脉冲频率。

三、单元电路设计与参数计算

1、积分器设计：

积分器采用集成运算放大器和 RC 元件构成的反向输入积分器。具体电路如下：

2、单稳态触发器设计 :

单稳态触发器采用 555 定时器构成的单稳电路。具体电路如下：

3、电子开关设计

电子开关采用开关三极管接成反向器形式，当触发器的输出为高电平时，三极管饱和导通，输出近似为 0，当触发器输出为低电平时，三极管截止，输出近似等于+VCC.

4 、恒流源电路设计

恒流源电路可采用开关三极管，稳压二极管Dz 等元件构成。具体电路如下所示。R2/D1/D5给三极管提供基极偏置，R1提供射极偏置，与+/-15V电源构成恒流源电路，三极管的集电极电流为恒定电流。当V1为低电平D2,D3

截止，D4导通，所以积分电容通过三极管放电。当 V1为高电平D2、D3 导通，D4截止，输入信号对积分电容充电。在单稳态触发器的输出端得到矩形脉冲。

四、总原理图及元器件清单

1 总原理图

2．元件清单

根据题目要求结合电路图，输入与输出关系 Vi∝f0，题目要求输入电压的范围为 0~10V，而输出频率要求为 0~10KHZ，所以该 VFC 电路需有 1khz/v 的换系数。输入有信号电压 Vin 时，积分电容充电，积分器输出下降，当降至触发器的触发电平（〈1/3Vcc）， 555 置位，使得积分电容通过恒流源反向充电，当积

分电容电压上升到 2/3Vcc 时，又使 555 复位，积分电容又开始充电，从而形成

振荡。因为单稳态电路的充电时间 tw=1.1R9*C3,选取 R9 为 45.4k,C3 为 1000p ，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与输出频率的关系，可确定恒流源对积分电容反向充电时间，从而确定 C1=0.025uf ，R1=20K 。

积分器相关计算：

首先假设电容正向充电占总脉冲的0.5

当输入端输入电压为1V 时，整个积分电路输出端的输出电压变化差值为1V ，则由积分电路公式dt u RC

u ⎰-

=I O 1

可得： -1V=1

1

RC -

*1V*0.5*T ① 其中T=1/f=1.0*10-3,由①可得：RC 1=0.5*10-3，令C1=0.025Uf,现电路中R5*0.025uF=0.5*10-3，符合计算得到的结果：R5=20千欧。 单稳态触发器相关计算：

输出脉冲的宽度Tw 等于暂稳态的持续时间,而暂稳态的持续时间长短又取决于定时元件R 和C 的大小.要输出10Khz 的方波,Tw=T/2=1/10000=0.05ms,而Tw=RCln3=1.1RC ，取C2=1000Pf,可求出R1约为45.4千欧. 仿真效果： Vi=+1V 时

Vi=+2V时

Vi=+3V时

当电压为+1V时一个周期T=1.00ms 则频率F1=1/T 则F1=1s/1.00ms=1000Hz

六、结论与心得

经过一周的模电课程设计，我选的题目是电压频率转换器，在中期汇报之前我看了模电课本课电子课程设计指导，上面有我们的选题基本原理知道以后便有了思路，然后借助百度的强大功能看了看网友是如何做的，基本思路有了之后我就可是设计电路图。

我的设计主要包括四个部分，积分器，单稳态触发器，电子开关还有恒流源电路。我使用的是protues绘图以及仿真软件，但由于平时比较懒惰，用的比较少，很多功能都不会，非常的生疏，遇到不少问题，不过通过同学的帮助让我懂得了这次设计所要用到的功能。这使我明白平时积累的重要性，让我知道

平常应该多弄弄这些软件，不能等到必须用到才去学习它，以后我一定要注意这些方面的积累。经过一天的时间终于把原理图画好了，但是在仿真中出现了不少的问题，幸好我这个选题有四个人一样的，这样我可以向其他同学借鉴学习，这样少走了很多的弯路。在电路图设计的过程中也遇到了很多的问题，软件很长时间没有使用很多元器件找不到，这样使我不得不花费一些时间来问度娘，四个模块的摆放位置也要合理这样才能看起来简单美观，等原理图画好了以后就开始调试了，但是对模拟示波器发比较生疏，波形的观察还有周期的测量带来了很多的不便，但是这些问题总归还是要解决的通过对RC器件的不断调试才能得到比较准确的数据，最终确定C1为25nF时候周期的测量值与理论值比较接近，还有对电阻也进行了更改将R5的43欧姆改为43.5的时候这样就更加的准确了，这样把RC电路的值搞好以后，便开始更改电压值测量对应的周期值，测量完了以后就应用公式计算对应的频率值，结果还是比较的理想的，跟理论值相差不多，在误差范围内。

通过这次课程设计，对模电又有了进一步的认识，对这个仿真软件也有了熟练的应用，总的来说还是有好的认识，课程设计还是学到了很多的东西，对一些器件也有了新的认识，也重新翻开了以前的课本，对模电知识也算做了一个粗略的温习，同学们彼此也很热心的帮助解决各种难题，这样才使得有很多疑难问题才能解决，每门课都有一个设计，感觉模电的设计还是有点吃力，或许是没有学习通透的原因吧，老师对我们也很耐心，在中期汇报的时候对很多同学也做出了指导，每位同学都能认真对待，所以我觉得这次课程设计还是很有意义的。

七、参考文献

《模拟电子技术及应用》李继凯编著

《电子技术课程设计指导》