1、課程設計說明書課程名稱： 模擬電子技術課程設計 題 目： 電壓/頻率變換器 學生姓名： 專 業： 班 級： 學 號： 指導教師： 日 期： 年 月 日電壓/頻率變換器一、設計任務與要求說明：電壓/頻率變換電路實質上是一種振蕩頻率隨外加控制電壓變化的振蕩器。主要技術指標與要求：（1）設計一種電壓/頻率變換電路，輸入I為直流電壓（控制信號），輸出頻率為O的矩形脈沖，且I 。（2）I變化范圍：010V。（3）O變化范圍：010kHz（4）轉換精度<1% .二、方案設計與論證示波器ViVVII積分器 單穩態觸發器 電子開關恒流源 圖1 電壓/頻率變換器總體框架圖利用輸入電壓的大小改變電容的充電速

2、度，從而改變振蕩電路的振蕩頻率，故采用積分器作為輸入電路。積分器的輸出信號去控制電壓比較器或者單穩態觸發器，可得到矩形脈沖輸出，由輸出信號電平通過一定反饋方式控制積分電容恒流放電，當電容放電到某一域值時，電容C再次充電。由此實現Vi 控制電容充放電速度，即控制輸出脈沖頻率。方案一、電壓頻率變換器的輸出信號頻率f0與輸入電壓vi的大小成正比，輸入控制電壓v1常為直流電壓，可以根據要求選用脈沖信號作為控制電壓。其輸出信號可為正弦波或者脈沖波形電壓。利用輸入電壓的大小改變電容器的充電速度，從而改變振蕩電路的振蕩頻率，可以用積分器作為輸入電路。積分器的輸出信號去控制電壓比較器或者單穩態觸發器，可得到矩

3、形脈沖輸出，由輸出信號電平通過一定反饋方式控制積分電容恒流放電，當電容放電到某一定值時，電容再次充電。所以，輸出脈沖信號的頻率決定于電容的充放電速度，即決定于vi值的大小，從而就實現電壓頻率變換。 三、單元電路設計與參數計算1、積分器的設計  積分器采用集成運算放大器和RC元件構成的反向輸入積分器。具體電路如下：圖2 積分器設計2、單穩態觸發器的設計單穩態觸發器采用555元件一個外接電阻R和電容C元件構成的定時網絡。假設當電源V DD 加上后置位端CUT無觸發信號即在穩定狀態,輸出 V 0 為低電平,觸發器輸出電 平,定時器電容C上的電壓V C =0由于555的TRI、GND腳短接,

4、故上比較器A1的反相 端和下比較器A2的同向端分別偏置在32 VDD和31 VDD處這個電位就是比較器翻轉與否的門限電壓值.當CUT端加進低于負向脈沖時,下比較器A2輸出為高電平”1”.觸發器被置位.輸出為低電平.同時555的輸出端（THR腳）變為高電平即V0=1,此時,電路處于置位階段,進入暫穩態,當CUT端的輸出脈沖消失后,下比較器A2雖然輸出為”0”,但觸發器輸出仍保持不變.故555的輸出端仍為高電平”1”.而在暫穩期間, VDD 同點R4對電容器C2充電，電容C2上的電壓呈指數形上升,當C上電壓充至 32 VDD 時,即上較A1的同向端近到32 VDD 時,A1輸出為高電平”1”,觸發

5、器復位,且輸出變為高電平”1”,電容C上的電荷迅速放電到低電 平”0”.電路又復原到穩態. 單穩態觸發器工作特點是：第一、它有一個穩定狀態和暫穩狀態；第二、在外來觸發脈沖作用下，可從穩定狀態翻轉到暫穩態，此時開關截止輸出電壓為Vdd；第三、經過一段時間后又自行回到穩定狀態。暫穩狀態時間的長短，與觸發器脈沖無關，僅決定于電路本身的參數或者電路的閾值電壓以外接R、C參數有關，單穩態觸發器輸出的脈沖寬度僅決定于定時元件R、C的取值，與輸入觸發信號和電源電壓無關，調節R、C的取值，即可方便的調節脈沖寬度，采用積分器作為輸入電路，積分器是輸出信號去控制單穩態觸發器，那樣就可以得到矩形脈沖的輸出。在本電路

6、中的用途是能夠使電路在輸出端上能得到可調的穩定矩形脈沖。圖3 單穩態觸發器3、電子開關設計 電子開關采用開關三極管接成反向器形式，當觸發器的輸出為高電平時，三極管飽和 導通，輸出近似為0，當觸發器輸出為低電平時，三極管截止，輸出近似等于+Vcc。圖4 電子開關4、恒流源電路設計恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，而理想的恒流源應該具有以下的特點：第一、不因負載輸出（輸出電壓）變化而變化；第二、不因環境溫度變化而變化；第三、內存可以為無限大（以使其電流可以全部流到外面）。基本的恒流源電路主要是由輸入極和輸出極構成，輸入極提供參考電壓，輸出極輸出需要的恒定電流。恒流源電路具有輸出電流恒定、溫度穩定性

7、好、直流電阻很小但等效交流輸出電阻卻和大的特點。恒流范圍大致為1uA-20A。它既可以為各種發大電路提供偏流以穩定器靜態工作點，又可以作為其有源負載，以提高發大倍數，并且在差動發大電路和脈沖產生電路中也得到廣泛的應用，在本題目中就是利用脈沖產生電路。恒流源采用開關三極管T和穩壓二極管Dz等組件構成的，其具體的電路如下所示，當V為0時，D4和D5截止，D3導通，所以積分電容就通過三極管T放點，當V等于1V時，D4和D5處于導通的狀態，D3就截止，輸入信號對積分電路充電。在單穩態觸發器的輸出端就得到矩形脈沖。電路圖如下：圖5 恒流源電路設計四、總原理圖及元器件清單1總原理圖圖6 總原理圖2元件清單

8、元件序號型號主要參數數量備注R1RES20K3R3RES10K2R4RES6.2K1R7RES22K1R8RES4.3K1R9RES22K1R9RES100K1R10RES4.7K1C1CAP0.025uF1C2CAP10nF1C3CAP1nF 1DDIODE5D61N4735A1Q2N2222A1U2ALT1014A1U15551BAT1CELL15V1五、安裝與調試根據題目要求結合電路圖，輸入與輸出關系Vif0，題目要求輸入電壓的范圍為110V，而輸出頻率要求為110KHZ，所以該VFC電路需有1khz/v 的換系數。輸入有信號電壓Vin即積分器電路輸入信號控制單穩態觸發器時，積

9、分電容充電，積分器輸出下降，當降至觸發器的觸發電平（1/3Vcc），555 置位，使得積分電容通過恒流源反向充電，當積分電容電壓上升到2/3Vcc 時，又使555 復位，積分電容又開始充電，從而形成振蕩。（1）、積分器相關計算：首先假設電容正向充電占總脈沖的0.5當輸入端輸入電壓為1V時，整個積分電路輸出端的輸出電壓變化差值為1V，則由積分電路公式可得：-1V=*1V*0.5*T               

10、0;   其中T=1/f=1.0*10-3可得：R2*C1=0.5*10-3，令C1=0.025Uf現電路中R5*0.025uF=0.5*10-3，符合計算得到的結果：R2=20千歐（2）、單穩態觸發器相關計算：輸出脈沖的寬度Tw等于暫穩態的持續時間,而暫穩態的持續時間長短又取決于定時元件R和C的大小.要輸出10Khz的方波,則：Tw=T/2=1/10000=0.05ms,而Tw=R8C3ln3=1.1*R8*C3，取C3=1000Pf,可求出R8約為43千歐.按照電路圖可知：電容的放電的時間為：Tw=(2/3VCC-0)/(Vi*R1*C1)由上面可以知道：C1

11、=0.025UfTw=T/2=1/10000=0.05ms,可以得到：R1=20千歐六、性能測試與分析（寫仿真調試與分析）輸入不同的Vi，波形不同，繼而反應出頻率的變化，如：（1） Vi=1V時：圖7從圖上可知：T=962.50us，而根據f=1/T可知：f=1.03KHz(2)Vi=2V時：圖8從圖上可知：T=484.00us，而根據f=1/T可知：f=2.04KHz(3)Vi=3V時：圖9從圖上可知：T=319.00us，而根據f=1/T可知：f=3.13KHz(4)Vi=4V時：圖10從圖上可知：T=242.00us，而根據f=1/T可知：f=4.13KHz(5)Vi=5V時：圖11從圖

12、上可知：T=192.67us，而根據f=1/T可知：f=5.10KHz(6)Vi=6V時：圖12從圖上可知：T=158.68us，而根據f=1/T可知：f=6.04KHz(7)Vi=7V時：圖13從圖上可知：T=141.68us，而根據f=1/T可知：f=7.02KHz(8)Vi=8V時：圖14從圖上可知：T=121.84us，而根據f=1/T可知：f=8.01KHz(9)Vi=9V時：圖15從圖上可知：T=110.51us，而根據f=1/T可知：f=9.09KHz(10)Vi=10V時：圖16從圖上可知：T=96.34us，而根據f=1/T可知：f=10.20KHz綜合上面所給出的數據，列出

13、了整體表格輸入電壓Vi/v12345678910充電時間T/us962.50484.00319.00242.00192.67158.68141.68121.84110.5196.34頻率f/KHz1.032.033.134.135.106.047.028.019.0910.2七、結論與心得本次的課程設計，我所設計的是電壓頻率變換器。通過這次課程設計讓我學習到了很大東西，了解了更多模擬電路的知識，認識到理論和實踐還是有很大的差別，同時為今后的學習和工作打下了堅實的基礎。在起初看到這個課題的時候，我不知從何下手，感覺所學知識派不上用場，更不知如何應用到實踐中來。雖然不知所措，但經過多日在圖書館的查

14、找資料和在網上查找資料，對整體的框架有了初步的了解和認識。在確定了整體的框架后，我在參數確定上遇到了很大的困難，僅僅一個參數的確定和調試就花了我將近兩天的時間，不過最后我還是克服困難完成了這一難題。參數確定之后，由于在畫圖的時候不是很細心，畫錯了好多地方，檢查好多次都沒有能夠完全把它改正，最后還是我請教同學，讓其幫我搞定的，其實就一點錯誤，這個錯誤讓我意識到做什么事一定要細心。在這次課程設計中由于知識量小，遇到了一些困難，但最終還是完成了本次課程設計。雖然過程有點艱辛，但是能夠將自己所學應用而做成有用的東西，心里還是很高興，由于一開始的毫無頭緒，到一步步應用只是去解決問題，感覺很有成就感。總之

15、，通過本次模擬電路的課程設計，讓我受益匪淺。不僅讓我在課堂上所學的知識得到了應用，同時在實踐設計中使我學到的知識得到了更好的理解和掌握，更重要的是讓我掌握了一些課本上沒有的知識，通過我自己的學習和研究從而對電壓頻率轉換器結構有了比較深刻的了解，讓我對電子這一學科產生了更加濃厚的興趣。通過這次課程設計更加培養了我的自學能力與鉆研的精神，使我自己的實踐能力有了進一步的提高，增加了將自己所學知識更好的應用于實際的信心。同時讓我對Proutues這個軟件有了進一步的學習，使我對它有了更進一步的了解和掌握。八、參考文獻1 康華光，陳大欽.電子技術基礎M.第四版.高等教育出版社 2 謝志萍.傳感器與檢測技術M.電子工業出版社3 王增福，魏永明.新編線性直流穩壓電源M.電子工業出版社4 程勇.實用穩壓電源DIYM.福建科學出版社.2003.105 張新昌.集成運算放大器的應用M.高等教育出版社，1985 6 楊世成.信號放大電路M.電子工業出版社，1985 7 江曉安.數字電子技術M.西安電子科技大學出版社,2002 8 康光華 數字電子技術北京M：高等教育出版社9 潘再平.