电压频率变换器剖析

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/频率变换器

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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υ

I

为直流电压（控制信号），输出频

率为ƒ

O 的矩形脉冲，且

O

fυI。

（2）υ

I

变化范围：0～10V。

（3）ƒ

O

变化范围：0～10kHz

（4）转换精度<1% .

二、方案设计与论证

Vi

图1 电压/频率变换器总体框架图

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。

方案一、电压频率变换器的输出信号频率f0与输入电压vi的大小成正比，输入控制电压v1常为直流电压，可以根据要求选用脉冲信号作为控制电压。其输出信号可为正弦波或者脉冲波形电压。利用输入电压的大小改变电容器的充电速度，从而改变振荡电路的振荡频率，可以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，当电容放电到某一定值时，电容再次充电。所以，输出脉冲信号的频率决定于电容的充放电速度，即决定于vi值的大小，从而就实现电压频率变换。

三、单元电路设计与参数计算

1、积分器的设计

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：

图2 积分器设计

2、单稳态触发器的设计

单稳态触发器采用555元件一个外接电阻R和电容C元件构成的定时网络。

假设当电源V DD 加上后置位端CUT无触发信号即在稳定状态,输出 V 0 为低

电平,触发器输出电平,定时器电容C上的电压V C =0由于555的TRI、GND

脚短接,故上比较器A1的反相端和下比较器A2的同向端分别偏置在32 VDD

和31 VDD处这个电位就是比较器翻转与否的门限电压值.当CUT端加进低于负

向脉冲时,下比较器A2输出为高电平”1”.触发器被置位.输出为低电平.同时

555的输出端（THR脚）变为高电平即V0=1,此时,电路处于置位阶段,进入暂稳

态,当CUT端的输出脉冲消失后,下比较器A2虽然输出为”0”,但触发器输出仍

保持不变.故555的输出端仍为高电平”1”.而在暂稳期间, VDD 同点R4对电

容器C2充电，电容C2上的电压呈指数形上升,当C上电压充至 32 VDD 时,即

上较A1的同向端近到32 VDD 时,A1输出为高电平”1”,触发器复位,且输出变

为高电平”1”,电容C上的电荷迅速放电到低电平”0”.电路又复原到稳态.

单稳态触发器工作特点是：第一、它有一个稳定状态和暂稳状态；第二、在外来触发脉冲作用下，可从稳定状态翻转到暂稳态，此时开关截止输出电压为Vdd；第三、经过一段时间后又自行回到稳定状态。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的阈值电压以外接R、C 参数有关，单稳态触发器输出的脉冲宽度仅决定于定时元件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，即可方便的调节脉冲宽度，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。在本电路中的用途是能够使电路在输出端上能得到可调的稳定矩形脉冲。

图3 单稳态触发器

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。

图4 电子开关

4、恒流源电路设计

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（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极和输出极构成，输入极提供参考电压，输出极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和大的特点。恒流范围大致为1uA-20A。它既可以为各种发大电路提供偏流以稳定器静态工作点，又可以作为其有源负载，以提高发大倍数，并且在差动发大电路和脉冲产生电路中也得到广泛的应用，在本题目中就是利用脉冲产生电路。恒流源采用开关三极管T和稳压二极管Dz等组件

构成的，其具体的电路如下所示，当V为0时，D4和D5截止，D3导通，所以积分电容就通过三极管T放点，当V等于1V时，D4和D5处于导通的状态，D3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：

图5 恒流源电路设计

四、总原理图及元器件清单

1．总原理图

图6 总原理图

2．元件清单

元件序号型号主要参数数量备注R1 RES 20K 3

R3 RES 10K 2

R4 RES 6.2K 1

R7 RES 22K 1

R8 RES 4.3K 1

R9 RES 22K 1