東華大學線性V/F轉換課程設計報告信息科學與技術學院目錄一、設計概述 1二、設計任務及要求 1（1）設計任務 1（2）性能指標要求 1三、設計方案選擇 21．方案一及框圖 22.方案二及框圖 23.方案原理優缺點比較 3四、設計思路 31、輸入信號：電源分壓電路 42、阻抗變換：電壓跟隨器 43、基準源 54、積分電路 55、脈沖輸出電路 66、開關電路 77、總電路圖 7五、計算機仿真 8六、實際組裝與調試 91.電路器件表 92.總輸出波形 103.實際連接電路 114.組裝和調試過程 12七、數據分析及改進 13（1）數據處理 13（2）數據分析 13（3）根據數據分析所得改進方法 14八、心得與體會 15九、參考文獻 16十、附錄 16一、各器件引腳圖 17二、手繪電路圖 17

一、設計概述線性V/F轉換器是壓控振蕩器中完成外加電壓和輸出頻率線性變換的部分。通過本次課程設計，應在了解線性V/F轉換器設計原理及構成的基礎上，利用集成運算放大器、積分電路以及脈沖電路等構成整個小系統，通過改變輸入電壓，實現對信號輸入頻率的線性變換。二、設計任務及要求（1）設計任務選取基本集成放大器LF353、555定時器、三極管、電阻、電容和穩壓管等元件，設計并制作一個簡易線性V/F轉換器。首先在multism仿真軟件上進行電路設計和原理仿真，選取合適電阻參數，通過輸出波形的頻率測試線性V/F轉換器的運行情況。其次在硬件設計平臺上搭建電路，并進行調試，通過示波器觀測電路的實際輸出波形。最后將電路實際輸出波形與理論分析和仿真結果進行比較，分析產生誤差的原因并提出改進方法。（2）性能指標要求電源電壓：±12V；輸入信號：直流信號0～10V可變；輸出信號：頻率為0～10kHz對應；精度：誤差小于±30Hz；波形要求：脈沖寬度20～40μs、0～10V矩形波。三、設計方案選擇1．方案一及框圖（１）方案一：用壓頻轉換器件（AD650）與單片機（51或msp430系列）結合使用。原理圖如下：單片機頻率測量壓頻轉換（AD650）輸入電壓信號單片機頻率測量壓頻轉換（AD650）輸入電壓信號外圍相關數字及模擬電路外圍相關數字及模擬電路原理簡述如下：輸入信號輸入壓頻轉換器件，得到一定頻率信號，采用單片機的計數器/定時器來測量頻率，并對結果通過外圍電路進行調控進而得到非常理想的電壓--頻率的線性轉換關系。2.方案二及框圖（２）方案二，利用反向積分器，以及555單穩態觸發器，三極管模擬控制開關搭建電路。原理圖如下：原理簡述如下:直流電壓信號經過阻抗變換后送到積分器輸入端，得到三角波，以控制脈沖輸出，脈沖的高低電平來控制反饋中的模擬開關閉合與斷開。通過設置參數使積分器輸出過零時觸發脈沖輸出電路開始輸出Tw寬度脈沖，周而復始形成振蕩，得到輸出頻率與輸入信號呈線性關系。3.方案原理優缺點比較方案一，在10KHZ頻率范圍內，AD650的線性誤差度僅為20ppm(滿量程的0.002%)，精度符合要求，但是相關器件太貴，且沒有相關器材，所以不選擇此方案。方案二，555單穩態，以及模擬開關（三極管），353積分電路搭建的電路，實現的壓頻轉換在10Khz范圍內，能實現相當高的轉換精度，大約在幾HZ左右（干擾過大除外），且器件均為常見的簡易器件，電路搭建方便，易于操作和理解。在滿足設計任務的條件下，經濟實惠，具有較高的性價比，故選擇此方案二。四、設計思路本實驗線性V/F轉換電路的設計，主要由積分電路，脈沖輸出電路，反饋控制電路組成。總電路的設計：通過阻抗變換得到相應輸入電壓，并輸入積電路得到脈沖輸出電路的電壓控制信號（鋸齒波），經由脈沖來控制反饋中的三極管的導通和關閉，實現通過基準源來調控積分時間的長短，來進一步調控脈沖輸出（矩形波）的電壓控制信號（鋸齒波）如此周而復始，形成震蕩，實現電壓到頻率的線性轉換。1、輸入信號：電源分壓電路電源電壓為12v,電壓輸出范圍為0～10v，所以選擇一個R0=2k?的電阻與一個10k?的滑動變阻器串聯，電壓可調最大值為10v,可以滿足0～10v所有值，符合要求。2、阻抗變換：電壓跟隨器共集電路的輸入高阻抗，輸出低阻抗的特性，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級的放大電路更好的工作。電壓隔離器輸出電壓近似輸入電壓幅度，并對前級電路呈高阻狀態，對后級電路呈低阻狀態，因而對前后級電路起到“隔離”作用。基本原理還是利用它的輸入阻抗高和輸出阻抗低之特點,即輸出電壓不受后級電路阻抗影響。一個對前級電路相當于開路，輸出電壓又不受后級阻抗影響的電路當然具備隔離作用，即使前、后級電路之間互不影響。為保證輸入電壓0～10v不變，則必須保證其滑變的傳入電路阻抗不變，加入一個電壓跟隨器，可以使后續電路不影響滑變的阻抗，使輸入電阻保持不變，反饋電路中接一電阻，以平衡輸入端，提高跟隨精度。3、基準源使用一個3v的穩壓管，接入電路即可，能提供一個-3v的穩定電壓。選擇R10為1k?電阻保護穩壓管。4、積分電路利用集成運放可以構成精度高、線性好的壓控振蕩器。積分電路輸出電壓變化的速率與輸入電壓的大小成正比，如果積分電容充電使輸出電壓達到一定程度后，使它迅速放電，然后輸入電壓再給它充電，如此周而復始，產生振蕩，其振蕩頻率與輸入電壓成正比，即壓控振蕩器。積分電路采用運放構成的反相積分電路，運放的同相端接入10k?的失調電阻，反向端同樣串入一個5.1k?的電阻，然后再與10k?滑變串接，保證其對稱性，減少失調電流引起的誤差。滑動變阻器可以調節輸出鋸齒波的周期，二極管起到保護運放的作用。5、脈沖輸出電路單穩態觸發器只有一個穩定狀態，一個暫穩態。在外加脈沖的作用下，單穩態觸發器可以從一個穩定狀態翻轉到一個暫穩態。由于電路中RC延時環節的作用，該暫態維持一段時間又回到原來的穩態，暫穩態維持的時間取決于RC的參數值。脈寬Tw=1.1RC，R7=3k?,C2=0.01uf由計算得Tw=33us,此電路構成單穩態觸發器，當積分電壓過零時觸發單穩（VC≤1/3VCC）。輸出寬度一定的脈沖去控制積分器。所以當U0=0V時，單穩態觸發電壓：Vc=1/3VCC=4v,則Vc=R2/(R2+R3)=1/3VCC從而推導出R2與R3的關系：R2：R3=1：2，取R2為1k?,則R3為2k?。6、開關電路晶體三極管的實際開關特性決定于管子的工作狀態。晶體三極管輸出特性三個工作區，即截止區、放大區、飽和區。如果要使晶體三極管工作于開關的接通狀態，就應該使之工作于飽和區；要使晶體三極管工作于開關的斷開狀態，就應該使之工作于截止區，發射極電流iE=0，這時晶體三極管處于截止狀態，相當于開關斷開。積分電路先對基準源進行定時線性積分到一定電壓高度Uh，觸發脈沖輸出F控制積分電路自動切換到對輸入信號反向積分，到積分電壓過零時積分控制電路又轉為對基準源積分。周而復始形成震蕩，產生脈沖輸出。電路采用二次積分方法進行轉換，當恒定寬度正脈沖輸出時，信號反饋到輸入端控制開關閉合。此時積分器對-Ur進行正向積分，而積分電壓Uc的高度Uh與基準電壓以及充放電常數有關。一旦輸出脈沖消失，開關S截止，積分器對Ui反向積分直到過零。相關參數的計算：由設計任務分析得到，R8與R9是偏置電阻，其必須滿足當脈沖輸出電路為低電平（即為“0”）時，三極管不導通，即是b和e電位差小于管壓降0.7，Ve=-3v，則Vb的取值為小于-2.3v，所以此時:Vb=-R8/(R8+R9)*Vcc。設R8=R9=1k?,則此時，Vb=-R8/(R8+R9)*Vcc=-6v<-2.3v,滿足條件，脈沖輸出電路輸出電壓為高電平（即為“1”）時，此時滿足Vb>-2.3v，Vb=R8/(R8+R9)*(Vi+Vcc)=-1V>-2.3V，滿足條件，三極管導通，進而可以通過一定輸出寬度的脈沖可以控制積分器的積分動作。對于R10的選取：為了防止流入穩壓管的電流過大，接入一個限流電阻，取R10=1k?。7、總電路圖五、計算機仿真multism仿真圖像：仿真調試相關事項：滑動變阻器Rw2主要調節整個電路的周期，對脈沖寬度影響很小，使其周期滿足條件要求，電阻R3主要來調節脈沖寬度，使脈沖調到要求范圍內。為了滿足脈沖的寬度在20us～40us，因為Tw=1.1RC,R3為單穩觸發器的6、7腳所接電阻，取電容C=0.01uf時，電阻R7=3k?時即可滿足。為了要滿足產生脈沖的頻率和輸入電壓誤差在所要求的范圍內（30Hz），通過調節滑動變阻器Rw2可逐步實現誤差達到理想的范圍內，觀察仿真波形和周期選擇滿足條件的阻值。考慮到流過穩壓管的電流范圍，三極管基集電阻設定為R10=1K歐左右時可以滿足。為了保護運放，在反向積分電路中加入了二極管。使積分輸出端為0時，反向截至。（6）如果三角波的幅值沒達到要求，可以通過調節三極管集電極的電阻來控制產生的鋸齒波的幅值。六、實際組裝與調試1.電路器件表元器件名稱個數電阻，電容若干直流穩壓電源1個萬用表1個雙蹤示波器1個集成運放LF3531個555定時器1個三極管90131個穩壓二極管（3v）1個導線若干10k滑動變阻器2個2.總輸出波形（1）Ui=5V（2）Ui=10v脈寬、頻率與理想狀態基本保持一致，符合要求。3.實際連接電路4.組裝和調試過程（1）器件參數的選擇經過各個模塊參數的詳細計算，基本可以確定電阻和電容等器件參數的選取。電路圖中C取0.01uf、Rw1、Rw2為10千歐滑動變阻器、R0為2千歐、R6為5.1千歐，R1為1千歐，R2為2千歐，R3為3千歐，R7、R8、R9、R10都為1千歐。（2）電路連接電路連接過程需要特別細心，我曾因為電路連接錯誤而花了一下午的時間找出錯誤，最后采取分塊檢查錯誤的方法改正了電路，即刻出現穩定的脈沖波。檢查積分器時，用函數發生器輸入方波，能出三角波，則積分器工作，反之，則不工作。檢查555時，輸入一定幅值的矩形波，如果555能輸出矩形波，則正常工作，反之則不工作。（3）調節誤差使用設定好參數的電阻，但出的波形頻率卻和仿真結果有很大差距，因此需要自己調節Rw2找出合適阻值，不能完全依照仿真結果。調節滑動變阻器使當輸入信號為10v時，輸出信號頻率非常接近10kHz，然后改變輸入電壓，觀察輸出頻率是否滿足誤差范圍，不滿足則反復調節Rw2，直到滿足30Hz誤差以內。七、數據分析及改進（1）數據處理周期t電壓V第一次測量的數據/kHz第二次測量的數據/kHz平均值/kHz理想頻率值/kHz誤差值/Hz10V10.00510.00210.003510．03.59V9.0089.0039.00559.05.58V8.0048.0028.0038.037V7.0037.0047.00357.03.56V6.0025.9986.0006.005V4.9994.9924.9955.054V3.9943.9933.9944.063V2.9972.9962.9973.032V2.0021.9982.0002.001V1.0000.99750.99871.02.3注：電壓均為跟隨器的輸入電壓。（2）數據分析作電壓和頻率圖像，可以求出頻率和電壓的線性關系。如圖可以看出，基本為線性關系。由上述實驗數據分析可以看出：本次課程設計設計的電路基本上將誤差控制在了幾HZ的誤差以內，在誤差允許范圍內基本符合了要求，這些誤差很有可能是來自電源不穩定,測量讀數不準，測量儀器顯示精度，導線電阻不可忽略，接觸不良等方面造成的誤差，雖然會有部分因器件，導線之間相互作用產生的感抗，容抗，引起的誤差，由以上數據看出但其對精度影響并不大，所以總體來說設計電路基本符合實驗要求。（3）根據數據分析所得改進方法從實驗數據中反應出設計電路的精度基本符合要求，線性基本滿足條件如果想繼續改進，則有如下所述改進方法：在不同輸入電壓的情況下，加強調節失調電阻，使得線性誤差進一步減小；對整個電路的相關參數進行微調，獲得滿意的效果；在電源的正負極，555單穩態8號腳和地之間接一個大電容（本實驗為470uf），排除雜音信號。在積分電路反相端加二極管可保護運放。八、心得與體會在實驗過程中，我學會了熟練操作multism、EWB仿真軟件，并培養了我的動手能力。本實驗原理和電路不復雜，可過程并不太順利，比如在仿真時，遇到了沒有波形、波形失真等問題，在同學的幫助下，我發現是仿真電路連接有問題，改正錯誤后便立刻輸出正確的波形，而參數的稍稍改動，就能解決仿真圖像失真問題。此外我發現理論和實際存著很大的差別，在調整誤差的過程中，multism上的輸出頻率比較精確，而且波動起伏大，一直難以穩定下來，于是我花了一天的時間條件調節仿真電路的電阻參數。而在實際電路里，選擇理論計算得到的參數，便很容易地調到了誤差范圍內的輸出頻率，因此仿真電