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1、 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 模拟电子技术基础模拟电子技术基础课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：电压电压/频率变换器频率变换器 院（系）：院（系）： 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电子与信息工程学院 教研室： 电子信息工 程 本科生课程设计（论文） 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文） 题目 电压电
2、压/频率变换器频率变换器 课程设计（论文）任务 设计参数：设计参数： （1）设计一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器。 （2）设计放大器所需的直流稳压电源。 （3）电压/频率变换器输入 Vi为直流电压（控制信号） ，输出频率为 f0的矩形 脉冲，且。vif 0 （4）Vi 变化范围：010。 （3）f0变化范围：010kHz。 （4）转换精度1%。 设计要求：设计要求： 1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用 环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、 成本的高低及制作的难
3、易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方 案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个 设计。 4 .组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进 右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 进度计划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：方案审 查；第 5 天：选择器件；第 6 天：单元电路设计；第 7 天：参数计算；第 8 天： 整体电路设计；第 9 天：EWB 仿真、完善设计；第 10 天：答辩。 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科
4、生课程设计（论文） 摘 要 电压/频率变换器是一种实现模数转换功能的器件，它能够将将模拟电压量变 换为脉冲信号，该脉冲信号的频率又能够满足与输入电压的大小成正比的关系。 在现实生活中，电压/频率变换器常用于实现远距离传输，并将其与单片机的计 数器接口相组合，实现 AD 转换。本次我设计的电压/频率变换器由积分器，滞回 电压比较器，电子开关，直流稳压电源四部分组成。其中积分器用于产生模拟连 续电压量，滞回电压比较器用于将模拟连续电压量转换为离散的脉冲信号，电子 开关用于控制滞回电压比较器的工作状态，直流稳压电源用于供电。经过仿真软 件 MULTISIM 的验证，这次的我所设计的电压/频率变换器基
5、本满足设计要求。但 由于具体特定元件的缺失以及其他原因，经过焊接与调试后，并没有得出具体的 实测数据。 关键词：AD 转换；积分器；滞回电压比较器 本科生课程设计（论文） 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 电压/频率变换器概况 1 1.2 本文研究内容 .1 1.3 总体设计方案以及论证 .2 第 2 章 电压/频率变换器分电路设计及仿真演示 .4 2.1 电压/频率变换器分电路设计.4 2.1.1 电压/频率变换器积分器设计4 2.1.2 电压/频率变换器电压比较器的设计5 2.1.3 电压/频率转换器电子开关设计6 2.1.4 电压/频率变换器直流稳压电源设计7 2.2 元器件型号选择
6、7 2.3 MULTISIM 仿真 .8 第 3 章 实物的焊接与调试 10 第 4 章 课程设计总结 14 参考文献 16 附录 1：总电路原理图.17 附录 2：元器件清单.18 本科生课程设计（论文） 第 1 章 绪论 1.1 电压/频率变换器概况 电压/频率变换器 VFC（ Voltage Frequency Converter ）是一种实现模数转 换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电 压的大小成正比。电压频率转换器也称为电压控制振荡电路（VCO） ，简称压控 振荡电路。电压到频率的转换实际上是一种模拟量和数字量之间的转换技术。当 模拟信号（电压或电流
7、）转换为数字信号时，转换器的输出是一串频率正比于模 拟信号幅值的矩形波，显然数据是串行的。这与目前通用的模数转换器并行输出 不同，然而其分辨率却可以很高。串行输出的模数转换在数字控制系统中很有用， 它可以把模拟量误差信号变成与之成正比的脉冲信号。 电压/频率变换也可以称为伏频变换。把电压信号变换为脉冲信号后，可以 明显地增强信号的抗干扰能力，也利于远距离的传输。通过和单片机的计数器接 口，可以实现 AD 转换。 1.2 本文研究内容 本文研究的是电压/频率变换器的设计与制作，经过对资料的查找和分析， 我找到了满足如下设计要求的设计方案，接下来进行了元器件的选择以及参数的 确定，并确定了总体电路
8、的结构，最后我还进行了实物的焊接与调试。 设计要求：设计要求： （1）设计一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器。 （2）设计放大器所需的直流稳压电源。 （3）电压/频率变换器输入 Vi为直流电压（控制信号） ，输出频率为的矩形脉 0 f 冲，且。vif 0 （4）Vi 变化范围：010，变化范围：010kHz，转换精度1%。 0 f 本科生课程设计（论文） 1.3 总体设计方案以及论证 方案一方案一：采用积分运算电路和 555 单稳态触发器构成电压/频率变换器， 通过电子开关实现对电路工作的控制，并通过直流稳压电源进行供电。 图 1.1 方案一总电路图 方案二方案二：用积分运算电路和滞回电压
9、比较器构成电压/频率变换器，通过电子 开关实现对电路工作的控制，并通过直流稳压电源进行供电。 图 1.2 方案二总电路图 积分器 555 单稳态触发器 电子开关 直流稳压电压源 输出 积分器 滞回电压比较器 电子开关 直流稳压电压源 输出 本科生课程设计（论文） 方案论证方案论证：由于滞回比较器具有滞回特性，它与 555 单稳态转换器相比有 一定的抗干扰能力，使输出频率稳定，价格较便宜，并且在测控系统中应用广泛。 而且方案一中的 555 单稳态转换器属于数字电子技术基础部分知识，我尚未接触 过，所以综合以上论证，我最终所以采用方案二来完成本次的课程设计。 本科生课程设计（论文） 第 2 章 电
10、压/频率变换器分电路设计及仿真演示 2.1 电压/频率变换器分电路设计 2.1.1 电压/频率变换器积分器设计 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。 电路图如下： 图 2.1 电压/频率变换器的积分器设计 积分电路的电路原理图如图 2.1 所示，它可以完成输出信号对输入信 号的积分运算，它是利用电容器两端电压与通过电容器的电流为积分关系， 以及运放虚短和虚断的特性实现的。在这里积分器主要用于产生连续的模 拟电压信号。而由于晶体管参数受温度变化影响，这种温度漂移作用会造 成误差，所以 RC 要选择合适的器件。 本科生课程设计（论文） 2.1.2 电压/频率变换器
11、滞回电压比较器的设计 图 2.2 电压/频率变换器的电压比较器设计 滞回电压比较器的原理图如图2.2所示，它可以看作是放大倍数接近“无穷 大”的运算放大器。电压比较器的功能是比较两个电压的大小(用输出电压的高 或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当”+”输入端电压高于”输入 端时，电压比较器输出为高电平；当”+”输入端电压低于”输入端时，电 压比较器输出为低电平。它可工作在线性工作区和非线性工作区。工作在线性工 作区时特点是虚短，虚断；工作在非线性工作区时特点是跳变，虚断；由于比较 器的输出只有低电平和高电平两种状态，所以其中的集成运放常工作在非线性区。 从电路结构上看，运放常处于开环状态
12、，又是为了使比较器输出状态的转换更加 快速，以提高响应速度，一般在电路中接入正反馈。 积分器 本科生课程设计（论文） 2.1.3 电压/频率转换器电子开关设计 图 2.3 电压/频率变换器电子开关设计 电子开关采用开关晶体管接成反向器形式，当触发器的输出为高电平时，三 极管饱和导通，输出近似为零，当触发器输出为低电平时，晶体管截止，输出近 似等于+Vcc。电路原理图如图 2.3 所示。 直流稳压电源 滞回电压比较器 本科生课程设计（论文） 2.1.4 电压/频率变换器直流稳压电源设计 图 2.4 电压/频率变换器直流稳压电源设计 如图 2.4 所示，可采用开关三极管T， 稳压二极管Dz等元件构
13、成。 具体电路如下 所示。 当为0时，D4，D5 截止，D2 导通，所以积分电容通过二极管 放电。当为 1 V 1 V 1 时，D4， D5 导通，D2 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。 2.2 元器件型号选择 根据题目要求结合电路图，输入与输出关系Vif0，题目要求输入电压范围 为1-10V，而输出频率要求为1-10KHZ，输入电压与输出频率成正比关系。由公 式f。=Ui/6Uz R1C可以解得输出频率。其中R1=1K，C=2.5nF，此时输出频率与 输入电压的关系如下表2.1所示，通过该表格，可知随着输入电压的增大，输出频 电子开关 积分器 本科生课程设
14、计（论文） 率也在 逐渐增大，输入电压减小，输出频率也随之减小，即输出频率与输入电压成正比， 且该频率变化范围在010kHz内，满足题目要求。 表2.1 输出频率与输入电压的关系 2.3 Multisim 仿真 本小节展示的是利用 Multisim 仿真所得到的仿真结果。如下所示的由 2.5 到 2.14 的 10 张图片是输入电压由 1V 变化到 10V 时，利用示波器得到的输入与 输出的波形。通过该波形可以观察到，输入波形为连续的锯齿状的连续信号，输 出波形为离散的矩形脉冲方波信号，且随着输入电压的增大，输出矩形脉冲的宽 度变窄，即频率变大。所以综合以上论证，我的仿真满足工作原理以及设计要
15、求。 1.输入电压为 1V 是，输出波形如图 2.5 所示 电压 i v （V） 01.002.003.004.005.006.008.0010.00 频率 0 f （kHz ） 00.971.952.983.904.926.017.99989 本科生课程设计（论文） 图2.5输入电压为1V时 2.输入电压为 2V 时，输出波形如图 2.6 所示 图 2.6 输入电压为 2V 时 3.输入电压为 3V 时，输出波形如图 2.7 所示 图 2.7 输入电压为 3V 时 本科生课程设计（论文） 4.输入电压为 4V 时，输出波形如图 2.8 所示 图 2.8 输入电压为 4V 时 5.输入电压为
16、5V 时，输出波形如图 2.9 所示 6.输出电压为 6V 时，输出波形如图 2.10 本科生课程设计（论文） 图 2.9 输入电压为 5V 时 6.输入电压为 6V 时，输出波形如图 2.10 所示 图 2.10 输入电压为 6V 时 7.输入电压为 7V 时，输出波形如图 2.11 所示 本科生课程设计（论文） 图 2.11 输入电压为 7V 时 8.输入电压为 8V 时，波形如图 2.12 所示 图 2.12 输入电压为 8V 时 9.输入电压为 9V 时，输出波形如图 2.13 所示 本科生课程设计（论文） 图 2.13 输入电压为 9V 时 10.输入电压为 10V 时，输出波形如图 2.14 所示 图 2.14 输入电压为 10V 时 本科生课程设计（论文） 本科生课程设计（论文） 第 3 章：实物的焊接与调试
