电压频率和频率电压转换电路的设计

课程设计

课程设计报告书

绪论

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

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（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。

1.1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、单稳态触发器、低通滤波器等。

1.2 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0~10KHZ的峰-峰值为5V的方波，输出uo为0~10V的直流电压。

2 设计内容 总体框图设计

2．1 V/F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

VOLM VZ

。

矩形波的振荡频率 f

1

R3

4R1CR2

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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 2.2 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

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因为“-”端是虚地，即U-=0,并且 uo uC u uC

1C

i

C

dt uC(0)

式中uC(0)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 uo 把iC i1

uiR

1RC

udt u

i

C

(0)

代入上式得

1RC

uo 当uC(0) 0时 uo

udt u

i

C

(0)

1RC

udt

i

若输入电压是图所示的阶跃电压，并假定uC(0) 0,则t>=0时，由于ui E ， 所以

uo

1RC

Edt

ERC

t

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uo向负值方向增大到集成运放反向饱和电压UOL时，集成运放进入非线性工作状态，uo UOL 保持不变，图3所示。

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～t1期间时，ui E电容放电 uo

1RC

t10

Edt

ERC

t

当t=t1 1时，uo Uom

当时间在t1～t2 期间时，ui E电容充电，其初始值 uC(t1) uo(t1) Uom uC 所以

uo uC

1RC

1RC

t2t1

Edt uC(t1)

1RC

t2t1

Edt Uom

t2t1

Edt Uom

ERC

t Uom

当 t=t2 时，uo Uom。 如此周而复始，即可得到三角波输出。

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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Rf ，利用Rf 引入直流负反馈来抑制上述各种原因引起的积分漂移现象。但RfC 数值应远大于积分时间，即T/2 ，T 为输入方波的周期否则Rf的自身也会造成较大的积分误差，电路如图4所示. 2.2.2 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。

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图 5 滞回比较器

按集成运放非线性运用特点，根据下列公式可得知，输出电压发生跳变的临界条件是u u 。

从图 5可得

u UR

u

R1R1 Rf

UR

R1Rf

uo

当 u u 时所对应的ui 值就是阀值，即 UTH (1

R1Rf

)UR

R1Rf

uo

当 uo UOL 时得上阀值： UTH1 (1

R1Rf

)UR

R1Rf

UOL

当 uo UOH 时得下阀值： UTH2 (1

R1Rf

)UR

R1Rf

UOH

由阀值可画出其传输特性。假设ui 为负电压，此时u <u 输出为UOL ，对应其阀值为上阀值UTH1 。如逐渐使 ui 上升，只要ui>UTH1 ，则输出uo UOL 将不变，直至ui>=UTH1 时，u >u ，使输出电压由UOL 突跳至UOH ，对应其阀值为下阀值UTH2 。ui 再继续上升，u >u 关系不变，所以输出uo UOH 不变。之后 ui 逐渐减少，只要ui>UTH2 ，输出uo+UTH2 仍维持不变，直至ui<=UTH2 时，u+<=u- ，输出再次突变，由 UOH 下跳至UOL 。其同相滞回比较器的传输特性如图 6 所示。

同样的方法可求得反相滞回比较器的阀值电压和传输特性：

UTH1

RfUR R1UOH

R2 R3

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U TH2

RfUR R1UOL

R2 R3

其传输特性如图6所示。

显然，改变 UR 即可改变其阀值，从而改变了传输特性，图6所示是

Ur=0 的情况，此时，两个电路的传输特性均以纵轴对称。

图6 传输特性 2.2.3 稳压管

稳压二极管的工作原理是利用 PN 结的击穿特性。稳压二极管反向击穿后的伏安特性是十分陡峭的，也就是说，通过稳压管的电流有很大变化时，其两端电压变化却很小，几乎是恒定的。利用这种特性可以构成所要求的稳压电路， 为限流电阻，用来限制稳压管中的最大电流。输入电压或负载发生变化而引起稳压管电流变化时，输出电压即稳压管两端电压几乎为一恒定值。

图 7 稳压二极管

2.3 F/V总电路图设计原理

2.3.1 方波和三角波发生电路形式的选择

由集成运放构成的方波和三角波发生器的电路形式比较多，但通常均由滞回比较器和积分电路组成。按积分电路的不同，又可分为两种类型：一类是由普通RC积分电路和滞回比较器构成，另一类由恒流充放电的积分电路和滞回比较器组成。

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常用的三角波和方波发生电路是由集成运放组成的积分器和滞回比较器组成，如图 7 所示。由于采用了由集成运放组成的积分器，电容C始终处在恒流充，放电状态，使三角波和方波的性能大为改善，不仅能得到线性度较理想的三角波，而且也便于调节振荡频率和幅度。

图 8 V/F总电路原理图

uCOU2uPuOU2uoO图9 V/F转换波形图

分析图 7 所示电路可知，方波和三角波的振荡频率相同，其值为

f

1

R3

4R1CR2

方波的输出幅度由稳压管DZ 决定，方波经积分后得到三角波，因此三角波输出的幅度为

VOM1

R2R3

Vz

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2.3.2 电路元件的选择及参数的确定 （1）集成运算放大器的选择输出

由于方波的前后沿时间与滞回比较器的转换速率有关，当方波频率较（几十千赫兹以上）或对方波前后沿要求较高时，应选择高速集成运算放大器来组成滞回比较器。 （2）稳压管的选择

稳压管的作用是限制和确定方波的幅度。此外，方波幅度和宽度的对称性也与稳压管的对称性有关。为了得到稳定而且对称的方波输出，通常选用高精度双向稳压二极管，如 2DW7 。R3是稳压管的限流电阻，其值根剧所用稳压管的稳压电流来确定。 (3）分压电阻R3和R2阻值的确定

R3和R2

的作用是提供一个随输出方波电压而变化的基准电压并由此决定三角波

的幅度输出。所以 R3 和R2的阻值应根据三角波输出幅度的要求来确定。例如，已知Vz 6v ，若要求三角波的峰值为Vom1 4v ，则

若取R2=10K ，则R3=15K 。当要求三角波的幅度可以调节时，R1 和R2则可用电位器来代替。

（4）积分元件及和C参数的确定

R1

和 C的值应根据方波和三角波发生器的振荡频率fo来确定。当分压电阻R1

和R2的阻值确定后，先选择电容C的值然后确定R1的阻值。

对于图 7 所示电路，为了减小积分飘移，应尽量将电容 C 取大些。但是电容量大的电容漏电也大。

2.3.3 方波和三角波发生电路的调试方法

方波和三角波发生电路的调试，应使其输出电压幅度和振荡 频率坊铝浦足授计要求。为此，可用示波器测量方波和三角波的频率和幅度。调整电阻R1 的阻值，可以改变振荡频率fo；调整电阻R2和R3的阻值，可以改变三角波的输出幅度。

2.4频率/电压转换电路的设计

频率/电压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。它有通用运放频率/电压频率/电压转换电路和集成频率/电压转换器两种类型。

图 9 频率/电压转换电路原理框图 2.5 功能模块的设计

2.5.1过零比较器

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

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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uI<0V时，UO=+UOM；当输入电压uI>0V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。

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图 11 单稳态触发电路

此电路可用在一些自动控制系统中。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U1>U2，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U2>U1，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，U1>U2，运放A1输出低电平，随着电容C1不断充电，U2不断升高，当U2>U1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。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。

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图 12 低通滤波器原理图

2.6 F/V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=R1×Um/（R1+R2）+R2×（-E）/（R1+R2）

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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up≥UH时，N2再翻转到达稳定状态，充电时间经历TW，它的值为

TW=RCIn{[E-up(0+)]/[E-UH]}

转换电路的各点电压波形关系如图11，图12所示，通低滤波后，电路输出电压平均值为

u0=Tw× Um× fi

从而完成了输入频率fi到输出模拟电压的转换。

图 14 转换前的波形

图 15 转换后的波形 3 设计心得

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两周的课程设计，增加了自己的动手实践能力。理论与实践还是有一定的差距的，在理论上不管多精确的数据，一旦用于实际中，就不得不考虑其仪器，器件的误差，以及自己操作上的能力。

而且，比起以往只要照着电路连线做实验，这次更添加了自己的思考，该选择怎样的电阻，电容，想要修改最后的输出，应该在什么地方做改变。虽然是一些很基础的东西，但仅仅是书上的理论学习，会让人对知识遗忘得比较快，相反，通过自己动手实践过的东西，会更加记忆深刻。看着自己连接出来的电路，并且系统是活的，还是挺有成就感的，虽然还有很多问题存在。

整个课程设计过程，不仅是一个课程设计，也让我对于课本上的知识有了更深的了解，对于知识，也更加形象化了。一味地只是看书本，背公式，计算题目，理论上好像都能理解的东西，一旦真正的应用于实践中，就会产生很多意想不到的惊喜与惊奇。原来觉得很难想通或想到的内容，在实验中会不经意地发现“原来是这样”，自己当初怎么就不到呢？

4 元器件清单：

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5 参考文献:

[1] 江晓安, 董秀峰. 模拟电子技术[M].西安:西安电子科技大学出版社，2002 [2] 彭介华. 电子技术课程设计指导[M].北京:高等教育出版社，1997 [3] 梁宗善. 电子技术基础课程设计[M].武汉：华中理工大学出版社 ，1997 [4] 赵家贵. 电子电路设计[M].北京:中国计量出版社 ，2005 [5] 孙肖子,邓建国.电子设计指南 [M].北京:高等教育出版社，2005 [6] 江晓安 ， 董秀峰.模拟电子技术[M].西安电子科技大学出版社 2002 [7] 谢嘉奎.电子线路(线形部分) [M].北京：高等教育出版社 1999 [8] 童诗白，华成英主编.模拟电子技术基础第三版[M]. 北京：清华大学

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