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1、课程设计报告书课程名称： 电子技术课程设计 题 目：电压/频率和频率/电压转换电路的设计学 院： 电子工程系学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 姓 名： 学 号： 2010 年 7 月 5 日1 1 绪论绪论课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸第 2 页 共 15 页（1）电压/频率转换即 v/f 转换，是将一定的输入信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。它的功能是将输入直流电压转换频率与其数值成正比的输出电压，故也称电压控制振荡电路。如果任何一个物理量通过传感器转换成电信号后，以预处理变换为合适的电压信号，然后去控制压控振荡电路，再用压控振荡电路的输
2、出驱动计数器，使之在一定时间间隔内记录矩形波个数，并用数码显示，那么可以得到该物理量的数字式测量仪表。图 1 数字测量仪表 电压/频率电路是一种模/数转换电路，它应用于模/数转换，调频，遥控遥测等各种设备。（2）F/V 转换电路F/V 转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号。这种电路主要包括电平比较器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。它有通用运放 F/V 转换电路和集成 F/V 转换器两种类型。 1.11.1 设计要求设计要求设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波的电路,要求包括：积分器；电压比较器和一个将给定频率的矩形波转换为直流电压的电路，要求包括：过零比较器、单稳态触
3、发器、低通滤波器等。 1.21.2 设计指标设计指标(1）输入为直流电压 0-10V， 输出为 f=0-500Hz 的矩形波。（2）输入 ui 是 010KHZ 的峰-峰值为 5V 的方波，输出 uo 为 010V 的直流电压。2 2 设计内容设计内容 总体框图设计总体框图设计2 21 1 V/FV/F 转换电路的设计转换电路的设计2.1.1 工作原理及过程积分器和滞回比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图 2 所示，比较器输出的矩形波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成矩形波，这样便可构成三角波，矩形波发生器。由于采用集成运放组成的积分电路，因此可以实现恒流充电，能够得到
4、比较理想的矩形波。通过分析可知，矩形波幅值大小由稳压管的稳定电压值决定，即方波的幅值3121 4RfRC R课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸第 3 页 共 15 页。OLMZVV 矩形波的振荡频率 2.1.2 模块功能积分器：积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即输入电压与输出电压的积分成正比。滞回比较器：用来输出矩形波，积分器得到的三角波可触发比较器自动翻转形成矩形波。稳压管：用来确定矩形波的幅值。图 2 总体框架图2.22.2 功能模块的设计功能模块的设计 2.2.1 积分电路工作原理积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即输入电压与输出电压的积分成正比。由于同相积分电路的共模输入
5、分量大，积分误差大，应用场合少，所以不予论述，本课程设计用到的是反相积分电路。图 3 积分器 反相积分电路如图 3 所示，电容器 C 引入交流并联电压负反馈，运放工作在线课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸第 4 页 共 15 页性区。由于积分运算是对瞬时值而言的，所以各电流电压均采用瞬时值符号。由电路得因为“-”端是虚地，即 U-=0,并且oCuuu 1(0)CCCui dtuC式中是积分前时刻电容 C 上的电压，称为电容端电压的初始值。所以(0)Cu1(0)oiCuu dtuRC 把 代入上式得1i CuiiR1(0)oiCuu dtuRC 当时(0)0Cu1oiuu dtRC 若输入电
6、压是图所示的阶跃电压，并假定,则 t=0 时，由于 ，(0)0CuiuE所以 1oEuEdttRCRC 由此看出，当 E 为正值时，输出为反向积分，E 对电容器恆流充电，其充电电流为 E/R，故输出电压随线性变化。当向负值方向增大到集成运放反向饱和电压ou时，集成运放进入非线性工作状态， 保持不变，图 3 所示。 OLUoOLuU如输入是方波，则输出将是三角波，波形关系如图 4 所示。当时间在 0 期间时，电容放电1tiuE 101toEuEdttRCRC 当 t= 1 时， 1toomuU 当时间在 期间时，电容充电，其初始值1t2tiuE 11( )( )Coomutu tU 221111
7、1( )ttCComttuEdtutEdtURCRC所以211toComomtEuuEdtUtURCRC 当 t= 时，。 如此周而复始，即可得到三角波输出。2toomuU 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸第 5 页 共 15 页图 4 波形变换上述积分电路将集成运放均视为理想集成运放，实际中是不可能的，其主要原因是存在偏置电流，失调电压，失调电流及其温漂等。因此，实际积分电路 uo 与输入电压关系与理想情况有误差，情况严重时甚至不能正常工作。解决这一情况最简便的方法是，在电容两端并接一个电阻 ，利用 引入直流负反馈来抑制上fRfR述各种原因引起的积分漂移现象。但 数值应远大于积分时间，
8、即 T/2 ，T 为fR C输入方波的周期否则的自身也会造成较大的积分误差，电路如图 4 所示.fR2.2.2 滞回比较器 简单的电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差， 如果输入信号因受干扰在阀值附近变化，如图所示，现将此信号加进同相输入的过零比较器，则输出电压将发生不应该出现的跳变，输出电压波形如图所示。用此输出电压控制电机等设备，将出现错误操作，这是不允许的。滞回比较器能克服简单的比较器抗干扰能力差的缺点，滞回比较器如图 5 所示。滞回比较器具有两个阀值可通过电路引入正反馈获得。课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸第 6 页 共 15 页图 5 滞回比较器按集成运放非线性
9、运用特点，根据下列公式可得知，输出电压发生跳变的临界条件是 。uu从图 5 可得 RuU111Ro ffRRuUuRRR当 时所对应的 值就是阀值，即uuiu11(1)THRo ffRRUUuRR当 时得上阀值：oOLuU11 1(1)THROL ffRRUUURR当 时得下阀值：oOHuU11 2(1)THROH ffRRUUURR由阀值可画出其传输特性。假设 为负电压，此时 ，则输出 将不1THUiuiu1THUoOLuU变，直至= 时， ，使输出电压由 突跳至 ，对应其阀值iu1THUuuOLUOHU为下阀值 。 再继续上升， 关系不变，所以输出 不变。2THUiuuuoOHuU之后 逐
10、渐减少，只要 ，输出+ 仍维持不变，直至0 过零比较器的工作原理是将输入信号与 0V 地电压进比较来判定输出是高电平还是低电平，例如反相输入端输入的过零比较器在输入正弦信号时，在正弦波的正半周时输出为低电平，而在正弦波的负半周时输出为高电平。这样就把正弦波变成矩形波了，当然它还可以将三角波等波形变换为矩形波。过零比较器，顾名思义，其阈值电压 UT=0V。电路如图 9(a)所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+UOM或-UOM。当输入电压 uI0V 时，UO=-UOM。因此，电压传输特性如图 9(b)所示。(a)电路 （b）电压传输特性图 10 过零比较电路及电压传输特性2.5.2 单稳态
11、触发器我们知道，因为触发器有两个稳定的状态，即 0 和 1，所以触发器也被称为双稳态电路。与双稳态电路不同，单稳态触发器只有一个稳定的状态。这个稳定状态要么是 0，要么是 1。单稳态触发器的工作特点是：(1)在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态；（2）在受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入“暂稳态” 。假设稳态为 0，则暂稳态为 1。 （3）经过一段时间，单稳态触发器从暂稳态返回稳态。单稳态触发器在暂稳态停留的时间仅仅取决于电路本身的参数。课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸第 11 页 共 15 页图 11 单稳态触发电路此电路可用在一些自动控制系统中
12、。电阻 R1、R2 组成分压电路，为运放 A1 负输入端提供偏置电压 U1，作为比较电压基准。静态时，电容 C1 充电完毕，运放 A1正输入端电压 U2 等于电源电压 V+，故 A1 输出高电平。当输入电压 Ui 变为低电平时，二极管 D1 导通，电容 C1 通过 D1 迅速放电，使 U2 突然降至地电平，此时因为U1U2，故运放 A1 输出低电平。当输入电压变高时，二极管 D1 截止，电源电压 R3给电容 C1 充电，当 C1 上充电电压大于 U1 时，既 U2U1，A1 输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然，提高 U1 或增大 R2、C1 的数值，都会使单稳延时时间增长，反之则缩
13、短。如果将二极管 D1 去掉，则此电路具有加电延时功能。刚加电时，U1U2，运放 A1输出低电平，随着电容 C1 不断充电，U2 不断升高，当 U2U1 时，A1 输出才变为高电平。2.5.3 低通滤波器低通滤波器是容许低于截至频率的信号通过， 但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。低通滤波器原理：它是利用电容同高频阻低频,电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频,利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过，对于需要的低频，利用电容高阻、电感低阻的特点是它通过。一个可以作为低通滤波器的简朴电路包括与一个负载串联的电阻以及与负载并联的一个电容。电容有电抗作用阻止低频信号通过，低频信号经过负载
14、。在较高频率电抗作用减弱，电容起到短路作用。这个区分频率（也称为转换频率或者截止频率（Hz）由所选择的电阻和电容所确定。课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸第 12 页 共 15 页图 12 低通滤波器原理图2.6 F/V 总电路图设计原理总电路图设计原理包括以上分析的三个部分：电平比较器，单稳态触发器和低通滤波器。图 13 F/V 总电路图设计原理如图 10 运放构成的 F/V 转换电路。放大器 N1 及 R3、R4 构成电压比较器，二极管 VD1、VD2 为输入限幅保护；N2 及 R1、R2、R5、R6、R、C、R7、R2、VT2 构成低通滤波器；N3 为隔离用输出放大器。当有输入信号
15、ui 时，比较器 N1 将输入信号转换相同频率的方波 u，再经过微分电容 C1 和二极管 VD3 把上升的窄脉冲送至单稳态 N2的输入端。在常态下 uN 为负电位、N2 输出为高电平，三极管 VT1、VT2 导通，u2 为低电平。N1 送来的正脉冲使 N2 翻转、输出变为低电平；这时 VT1 截止，u2 变为高电平（其值为稳压管 VS 的稳压值 Um） ，uN 保持在高电平 UH，其值为UH=R1Um/（R1+R2）+R2（-E）/（R1+R2）课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸第 13 页 共 15 页同时 VT2 截止，使电容 C 被+E 通过 R 充电，N2 同向输入 up 随之变化，其值为Up（t）=up（）+up（0+）-up（）e-t/t式中，up（）=E；up（0+）=R6 E/（R+R6） 。当 C 被充电到 upUH 时，N2 再翻转到达稳定状态，充电时间经历 TW，它的值为TW=RCInE-up(0+)/E-UH转换电路的各点电压波形关
