压频转换器设计

东北石油大学课程设计任务书

题目 压/频转换器设计 专业 一、主要内容：

1、电路设计：设计一个压/频转换器；画出电路原理图； 确定元器件及元件参数。

2、电路焊接练习：本次课程设计需要完成两个电路焊接任务，电路一，占空比可调的波形发生器；电路二，收音机电路焊接与安装。

二、基本要求：

设计一个压/频转换器，准确地理解有关要求，独立完成系统设计，性能参数和基本要求：

（1）设计压/频转换器，分别讨论采用分立元件设计和采用专用的压/频转换芯片的优势比较；

（2）要求两种方案都要给出电路和原理。

2、给出设计方案，画出设计电路的电路图、写明电路工作原理、有源元件给出芯片介绍。

三、主要参考资料：

[1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2001. [2] 冯民昌.模拟集成电路系统[M].中国铁道出版社,1998. [3] 赵保经.中国集成电路大全[M].国防工业出版社,1985. [4] 王文秀.电子元器件[M].人民邮电出版社,1985.

完成期限 2011.7.3—2011.7.12 指导教师 专业负责人

2011年 7月 3日

课程 电子技术课程设计

姓名 学号

电子技术课程设计（报告）

目 录

第1章 绪论 ........................................................................................................ 1

1.1、课题背景 .............................................................................................. 1 1.2、设计任务和要求分析 .......................................................................... 1 第2章 系统设计方案 ........................................................................................ 2

2.1、基本原理分析 ...................................................................................... 2 2.2、设计方案论证和原理 .......................................................................... 2 第3章 硬件电路设计 ........................................................................................ 3

3.1、各分立元器件介绍 .............................................................................. 3 3.2、单元电路设计 ...................................................................................... 3 3.3、系统硬件电路设计 .............................................................................. 4 第4章 电路焊接练习 ........................................................................................ 4

4.1、波形发生器 .......................................................................................... 4 4.2、收音机 .................................................................................................. 6 总结 ........................................................................................................................ 8 参考文献 ................................................................................................................ 9

电子技术课程设计（报告）

第1章 绪论

1.1、课题背景

电压频率转换器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。随电压—频率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）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，以驱动步进式伺服机构用来精密控制。

着现代电子技术渐渐的向着大规模的数字集成电路发展，面对大量的连续变化模拟量例如幅度的变化。难以对其直接分析，但可以先将模拟量转换成数字量，再在研究中都对数字信号（0和1）的直接处理分析的方法，这就需要将信号由模拟到数字进行变换。而本设计‘高精度电压转换器’既：电压—频率转换。其过程即实现了由模拟量到数字量的转换。

在进行数模转换过程中，可以应用的芯片很多，如AD0809、AD574A、LM331等都可以实现数模转换。但人们发现芯片一般输出都是并行输出（独立、同时、同步），但一般的电路对信号的处理都是串行的。但运用电压转换为频率就解决了数模的转换，同时又可以输出串行信号，几乎完全可以替代AD芯片的作用。

另外相对于电压，一个信号的频率更为稳定。大家发现通过讲电压先转换为频率，再测量其频率值，从而即可得到电压的幅度值。所以在测量中不管信号的幅度值有多大，都可以只考虑其转换后所得到的较之更为稳定的频率来代替直接对信号的分析，这样得到的结果精度会更高。

1.2、设计任务和要求分析

1、设计一个压/频转换器，准确地理解有关要求，独立完成系统设计，性能参数和基本要求：

（1）设计压/频转换器，分别讨论采用分立元件设计和采用专用的压/频转换芯片的优势比较；

（2）要求两种方案都要给出电路和原理。

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2、给出设计方案，画出设计电路的电路图、写明电路工作原理、有源元件给出芯片介绍。

第2章 系统设计方案

2.1、基本原理分析

实现电压/频率的转换的方法很多，电压/频率转换电路实际上是一种振荡电路，它的振荡频率随外加控制电压变化而变化。对它的基本要求是输出频率应与输入控制电压成线性关系，且动态范围要大，加上本设计的要求既高精度。一般我们设计电压频率转换的方法大致分为以下几种：

(1) 通过多谐振荡器实现电压频率转换； (2) 通过集成化电路实现电压频率的转换。

2.2、设计方案论证和原理

一、设计思路

压频转换电路主要包括6部分：（1）积分放大器，（2）电压比较器（亦称为精密阈值电压检测器），（3）单稳态触发器，（4）模拟开关，（5）1ｍＡ电流源IN，（6）输出级（晶体管Vr，集电极开路输出），外围元件主要有输出端限流电阻Ｒ，积分电容C，定时电容Ct和输出端上拉电阻Ｒ。其主要流程为：输入信号ｆＩＮ首先经过微分电路Ｃ，Ｒ，ＶＤ变为负脉冲（正脉冲被短路），然后加至比较器的输入端，用下降沿来触发单稳态电路进入一个新的测量周期Ｔ，转换后的直流电压从积分放大器的Ｕｏ端输出，电路增加积分电阻R1，R2，它与Ｃ并联在Ｕｏ端与U-端之间，f/U转换器的输出电压与Rin，Ｃ，ｆ的乘积成正比。

二、总体方案框图：

输入积分 集成输 出 充放电图1 电路总体框图 2

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三、原理

原理：输入信号ｆＩＮ首先经过微分电路Ｃ，Ｒ，ＶＤ变为负脉冲（正脉冲被短路），然后加至比较器的输入端，用下降沿来触发单稳态电路进入一个新的测量周期Ｔ，转换后的直流电压从积分放大器的Ｕｏ端输出，电路增加积分电阻R1，R2，它与Ｃ并联在Ｕｏ端与U-端之间，f/U转换器的输出电压与Rin，Ｃ，ｆ的乘积成正比。

第3章 硬件电路设计

3.1、各分立元器件介绍

NE５５５：在此设计中此元件是构成单稳态触发器的重要组成部分。NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（Monostable Mutlivibrator）及无稳态多谐振荡器（Astable Multivibrator）。只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

芯片介绍：AD650是美国ANALOG DEVICES公司推出的高精度电压频率(V/F)转换器，它由积分器、比较器、精密电流源、单稳多谐振荡器和输出晶体管组成。该电路在±15V电源电压下，功耗电流小于15mA，满刻度为1MHz时其非线性度小于0.07％。AD650既能用作电压频率转换器，又可用作频率电压转换器。可广泛用于通讯、仪器仪表、雷达、远距离传输等领域。它由积分器、比较器、精密电流源、单稳多谐振荡器和输出晶体管构成。输入信号电流可直接由电源提供，亦可由电阻(R1＋R3)端输入电压产生。由1mA内部电流源开关控制，以精确脉冲提供的内部反馈电流使这种电流源精确平衡。这种电流脉冲可看成是由精密的电荷群构成。出三极管每产生一个脉冲所需要的电荷群数量依赖于输入电流信号的幅度。由于每单位时间传递到求和点的电荷数量对输入信号电流幅度呈线性函数关系，所以可实现电压－频率转换。其特征频率fOUT正比于VIN，并与电路中的阻容值有关。由于电荷平衡式结构对输入信号作连续积分，所以具有优良的抗噪声性能。

3.2、单元电路设计

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/leq2.html