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1、课程设计、实习报告专用纸淮海工学院课程设计报告书 课程名称： 模拟电子技术课程设计 题 目： 频率/电压转换电路的设计 系 （院）： 电子工程学院 学 期： 12-13-1 专业班级： 电子 112 姓 名： 冒佳卫 学 号： 2011120649 评语：成绩：签名日期：1 引言 本设计实验要求对函数发生器、比较器、F/V变换器LM331、反相器和反相加法器的主要性能和应用有所了解，要能掌握其使用方法。同时要了解它们的设计原理。本设计实验要求我们要灵活运用所学知识，对设计电路的理论值进行计算得到理论数据，在与实验结果进行比较。1.1 设计目的 当正弦波信号的频率fi在200Hz2kHz范围内变
2、化时,对应输出的直流电压Vi在15V范围内线形变化。1.2 设计内容设计一个频率/电压转换电路，将给定的正弦波信号的频率转化成相对应的直流电压。设计的各部分包括：比较器、F/V转换器、反相器、反相加法器。1.3 主要技术要求（1）输入为正弦波频率2002000Hz; 输出为电压15V；（2）正弦波信号源采用函数波形发生器的输出；（3）采用12V电源供电。2 频率/电压转换器的总体框图设计图1 总体框图 函数波形发生器输出的正弦波比较器变换成方波。方波经F/V变换器变换成直流电压。直流正电压经反相器变成负电压，再与参考电压VR通过反相加法器得到Vo3 频率/电压转换器的功能模块设计3.1 函数信
3、号发生器ICL8038芯片介绍3.1.1 ICL8038作用 ICL 8038 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部元件就能产生从 0.001HZ300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。 3.1.2 ICL8038管脚介绍图 2 ICL8038 表1 引脚功能介绍脚号引脚代号功能1、12Sine Wave Adjust正弦波失真度调节2Sine Wave Out正弦波输出3Triangle Out三角波输出4、5Duty Cycle Fr
4、equency方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节6V+正电源10V18V7FMBias内部频率调节偏置电压输入8FM Sweep外部扫描频率电压输入9SquareWaveOut方波输出，为开路结构10TimingCapacitor外接振荡电容11V orGND负电原或地13、14NC空脚3.2 比较器电路的设计过零比较器的原理 过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。原理是利用比较器对两个输入电压进行比较。两个输入电压一个是参考电压Vr，一个是待测电压Vu。一般Vr从正相输入端接入，Vu从反相输入端接入。根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电压。当参考电压已知时就可以得出待测电压的
5、测量结果，参考电压为零时即为过零比较器。用比较器构造的过零比较器存在一定的测量误差。当两个输入端的电压差与开环放大倍数之积小于输出阈值时探测器都会给出零值。例如，开环放大倍数为106，输出阈值为6v时若两输入级电压差小于6微伏探测器输出零。这也可以被认为是测量的不确定度。由于本次比较器的作用只是将输入的正弦信号转换为方波信号，所以可以选用最简单的过零比较器实现这一目标，电路图3所示： 图3 过零比较器3.3 F/V变换器电路的设计3.3.1 频率-电压转换器 图4 LM331的管脚图表 2 LM331引脚功能脚号引脚代号功能1CURRENT OUTPUT电流输出2REFERENCE CURRE
6、NT参考电流3FERQUENCY OUTPUT频率输出4GND接地5R/C接R/C6THRESHOLD门槛电压7COMPARATOR INPUT输入8VS电源3.3.2 F/V变换器的内部结构图 图 5 LM331的内部结构图 LM331的内部电路组成如图5所示。由输入比较器、定时比较器、RS触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.040V之间，输出可高
7、达40V，而且可以防止Vcc短路。3.3.3 F/V变换器的原理由LM331构成的频率电压转换电路如图6所示，输入脉冲fi经R1、C1组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻R2、R3分压而加有约2Vcc/3的直流电压，反相输入端经电阻R1加有Vcc的直流电压。当输入脉冲的下降沿到来时， 经微分电路R1、C1产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的Vcc上，当负向尖脉冲大于Vcc/3时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源IR对电容CL充电，同时因复零晶体管截止而使电源Vcc通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容CL两端电压达到2Vcc/3时，定时比
8、较器输出高电平使触发器复位，此时电流开关打向左边，电容CL通过电阻RL放电，同时，复零晶体管导通，定时电容Ct迅速放电，完成一次充放电过程。此后，每当输入脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。从前面的分析可知，电容CL的充电时间由定时电路Rt、Ct决定，充电电流的大小由电流源IR决定，输入脉冲的频率越高，电容CL上积累的电荷就越多输出电压(电容CL两端的电压)就越高，实现了频率电压的变换。按照前面推导V/F表达式的方法，可得到输出电压VO与fi的关系为： VO=2.09RlRtCtfi/Rs 电容C1的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输入比较器，但电容C1小些有利于
9、提高转换电路的抗干扰能力。电阻RL和电容CL组成低通滤波器。电容CL大些，输出电压VO的纹波会小些，电容CL小些，当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。 图 6 LM331F/V电路图3.3.4 LM331用作FVC的典型电路 LM331用作FVC的电路如图8所示 V0图8 LM331用作FVC的电路 因为 在此 VCC=12V所以 Rx=50k取 Rx=51 k取 RS=14.5 k则得 Vo=fi10 3V由此得Vo与fi在几个特殊 频率上的对应关系如表2所示。 表4 Vo和fi的 关系Fi(Hz)200650110015512000Vo(V)0.200.651.111.552.00图8中
10、fi是经过微分电路470pF和10 k加到脚上的。脚上要求的触发电压是脉冲，所以图8中的fi应是方波。3.4 反相器电路的设计 3.4.1 反相器的选择反相器的电路如图9所示。图9 反相器电路因为都是直接耦合，为减小失调电压对输出电压的影响，所以运算放大器采用低失调运放OP07。由于LM331的负载电阻RL=100k（见图9），所以反相器的输入电阻应为100 k，因而取RL=100。因为 反相器的Au=-1，所以 R4=RL=100 k即 平衡电阻R5=RL/R4=50 k3.5 反相加法运算电路的设计3.5.1 反相加法运算器的原理反相加法运算电路是运用集成运算放大器LM741接外接电路组成
11、的具有将输入的信号不同比例放大后叠加反相输出功能的运算电路。反相加法运算电路的基本电路如图所示。同相端接地，输入信号从反相端输入，当运算放大器的开环增益足够大时，其输入端为虚地，Vs1和Vs2均可通过R1和R2转换为电流，实现代数的相加运算，其输出电压Vo= -（Rf/R1 Vs1+ Rf/R2 Vs2）当R1=R2=R时 Vo= - Rf/R（Vs1+ Vs2）这就是加法运算的表达式，式中的负号是因反相输入所引起的。3.5.2 反相加法运算器元件参数的确定用反相加法器是因为它便于调整-可以独立调节两个信号源的输出电压而不会相互影响，电路如图10所示。图10 反相加法器 设fi=200Hz时为
12、Vo3，要求Vo1=1V，则fi=2000Hz时为10Vo3要求V o1=5V由 得 1 （1）5 （2）（1）（2）：（3）（1）10（2）：（4）由(4)，若取VR= -1V，则，取定一个电阻就可确定另一个。即 若取，则R10=R9，取定R10、R9。知道R10，则由根据Vo3大小，可确定R6。设V o3= -0.2V，则，从而得 ， 令 R10=20 k。所以 R6=9k平衡电阻R11R10/R6/R9=4.7 k。参考电压VR可用电阻网络从-12V电源电压分压获取，如图11所示。图11 获取参考电压VR的电路 若取 R8=1k，则R8/R9=0.952 kRw2+R7=19.6 k取
13、R7= 15 kRw2用10 k电位器。4 总电路图设计图 12 总电路图图13 总电路图5 元器件清单序号名称数量1 函数信号发生器1台2直流稳压电源1台3毫伏表1台4万用表 1台5低频信号发生器1台6LM3311台7A741 1台8电位器、电阻、电容若干6 总结通过这次频率/电压转换电路的设计，让我受益匪浅，从中我学到了很多书本上学不到的知识，比如一个人应怎样学会独立地思考解决问题，出现差错时怎样随机应变，怎样学会与他人合作、共同提高等等。其中让我感到最有价值的是增加了我的动手实践能力，真正的做到了学以致用。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。让我知道了没有付出就没有收获。这学期我学习了电子线路（线性部分）
