电压频率转换电路的设计

模拟电路课程设计报告

——频率/电压变换器

课程名称： 模拟电子技术课程设计 题 目： 电压/频率转换电路的设计 系 （院）： 自动化学院 专 业： 自动化专业 班 级： 姓 名： xxx 学 号： 时 间： 2013-06

目录

1. 题目--------------------------------------------------------- 3 2. 引言-------------------------------------------------------3 3. 系统设计原理内容及要求----------------------------3

3.1 设计目的--------------------------------------------------3 3.2 设计要求-------------------------------------------------3

3.3 系统设计原理及内容----------------------------------3

3.3.2 设计思想------------------------------------------3 3.3.2 频率/电压转换器原理框图--------------------4 3.3.3 各模块方案设计---------------------------------4

1. 三角波发生器原理--------------------------------------4

2. LM331原理---------------------------------------------5 3. 反向器原理----------------------------------------------9

4. 反向加法器原理----------------------------------------11

3.4 测试与调整-----------------------------12

3.4.1调试及测量步骤--------------------12 3.4.2原始数据及处理--------------------12 3.4.3故障分析--------------------------13 3.4.4误差分析--------------------------13 4. 总结--------------------------------------------------------13 4.1 思考题--------------------------------------------- 13 4.2 课设总结------------------------------------------ 13 5. 参考文献--------------------------------------------------14

1 题目：

模拟电路课程设计报告

2 引言：

本课题介绍一种频率/电压转换器的设计方法，通过本课题熟悉频率/电压变换器LM331的主要性能和典型应用，掌握运放基本电路的原理，并掌握电路的基本设计，测量和调试方法。

3 系统设计原理内容及要求

3.1 课程设计目的：

本课题介绍一种频率/电压转换器的设计方法，通过本课题熟悉频率/电压变换器LM331的主要性能和典型应用，掌握运放基本电路的原理，并掌握电路的基本设计，测量和调试方法。

3.2 设计要求

（1） 当三角波信号的频率fi在200Hz~2kHz范围内变化时,对应输出的直流电压Vi在

1~5V范围内线形变化;

（2） 三角波波信号源采用函数波形发生器的输出 （3） 采用±12V电源供电.

（4） F/V变换采用集成块LM331构成的典型电路。通过参考书和报告上的指导书确定相

关参数，测定输出的电压范围在0.4-4V。

（5） 反相器采用比例为-1，通过集成芯片OP07实现。

（6） 反相加法器同样用芯片OP07实现，通过调节VR的大小。使输出的电压在1-5V。

3.3 系统设计原理及内容

3.3.1 设计思想

（1） 本次设计函数发生器采用实验台的函数波形发生器。确定可调范围设在

200Hz----2000Hz,在调试过程中，挑选中间的几个值进行测试。

（2） F/V变换采用集成块LM331构成的典型电路，直接应用频率电压转换变换专用集成

块LM331其输出与输入的脉冲信号重复成正比。通过参考书和报告上的指导书确定相关参数，测定输出的电压范围在0.4-4V。

（3） 反相器采用比例为-1，通过集成芯片OP07实现。

（4） 反相加法器同样用芯片OP07实现，通过调节VR的大小。使输出的电压在1-5V。 （5） 选定设计方案，画出电路图。本组本次设计共有两个供选方案。

（6） 用通用型运算放大器构成微分器，其输出与输入的正弦波与频率成正比。

（7） 系统构成的主要流程图。

函数波形发生器输出的三角波，比较器变换成方波。方波经F/V变换器变换成直流电压。直流正电压经反相器变成负电压，再与参考电压VR通过反相加法器得到符合技术要求的Vo。 整机电路如5-1-5所示

3.3.2 频率/电压转换器原理框图

EE

图5-1-5

3.3.3 各模块方案设计

3.3.3.1 三角波发生器设计

三角波理论波形

3.3.3.2

LM331工作原理

LM331用作FVC时的原理框如图5-1-1所示.

+VCC

R1脚是输出端(恒流源输出),○6脚为输入端(输入脉冲链),○7脚接比较电平. 此时,○

工作过程(结合看图5-1-2所示的波形)如下:

V

CC

p-p

s

1

t

vct

2/3VCC

v

CL

V0

图5-1-2

6脚电平低于○7脚电平,所以S=1(高电平)， 当输入负脉冲到达时,由于○（低电平）。=0

此时放电管T截止，于是Ct由VCC经Rt充电，其上电压VCt按指数规律增大。与此同时，电

1脚接通，使CL充电，VCL按线性增大（因为是恒流源对CL充电）流开关S使恒流源I与○。 经过1.1RtCt的时间，VCt增大到2/3VCC时，则R有效（R=1，S=0）， =0，Ct、CL再次充电。然后，又经过1.1RtCt的时间返回到Ct、CL放电。

以后就重复上面的过程，于是在RL上就得到一个直流电压Vo（这与电源的整流滤波原理类似），并且Vo与输入脉冲的重复频率fi成正比。 CL的平均充电电流为i×（1.1RtCt）×fi CL的平均放电电流为Vo/RL

当CL充放电平均电流平衡时，得 Vo=I×（1.1RtCt）×fi×RL

式中I是恒流电流，I=1.90V/RS

式中1.90V是LM331内部的基准电压（即2脚上的电压）。 于是得Vo 2.09

RL

RtCtfi RS

可见，当RS、Rt、Ct、RL一定时，Vo正比于fi，显然，要使Vo与fi之间的关系保持精确、稳定，则上述元件应选用高精度、高稳定性的。

对于一定的fi，要使Vo为一定植，可调节RS的大小。恒流源电流I允许在10 A~500 A范围内调节，故RS可在190kΩ~3.8 kΩ范围内调节。一般RS在10kΩ左右取用。 2．LM331用作FVC的典型电路

LM331用作FVC的电路如图5-1-3所示。

fi

lo

Rx

VCC 2

0.2mA

在此，VCC=12V

所以 Rx=50kΩ取 Rx=51 kΩ

Vo 2.09

RL

RtCtfi RS

取 RS=14.2 kΩ

–3

则 Vo=fi×10 V

由此得Vo与fi在几个特殊 频率上的对应关系如表5-1-1所示。 Vo和fi的 关系

3.3.3.3

反向器原理

反相器的电路如图5-1-6所示。

+VCC

100k

Vo1

Vi1

图5-1-6

因为都是直接耦合，为减小失调电压对输出电压的影响，所以运算放大器采用低失调运放OP07。

由于LM331的负载电阻RL=100kΩ（见图5-1-3），所以反相器的输入电阻应为100 kΩ，因而取RL=100。

反相器的Au=-1，所以 R4=RL=100 kΩ

平衡电阻R5=RL//R4=50 kΩ 取 R5=51 kΩ。 2反相加法器 ○

用反相加法器是因为它便于调整—--可以独立调节两个信号源的输出电压而不会相互影响，电路如图5-1-7所示。

Vo3

Vo

VR

图5-1-7

Vo

R10R

Vo3 10VR R6R9

-3

已知Vo3= -Vo2= -fi×10V ∵Vo

R10R

fi 10 3 10VR R6R9

技术要求

fi=200Hz时，Vo=1V fi=2000Hz时，Vo=5V 即Vo

250 fif5

( i)V

4509450

（2）

对照⑴式和⑵式，可见应有

R105

VR V R99

若取R10=R9=20 kΩ，则VR= -

5V 9

R10f

fi 10 3 i R6450

∴R6=9kΩ，用两个18 kΩ电阻并联获得。 平衡电阻R11≈R11//R6//R9=4.7 kΩ。

参考电压VR可用电阻网络从-12V电源电压分压获取，如图5-1-8所示。

10k

VR

R81k

图5-1-8

VR

RW2

R8//R95

R7 (R8//R9)9

若取 R8=1kΩ，则R8//R9=0.952 kΩ Rw2+R7=19.6 kΩ

取 R7= 15 kΩ

Rw2用10 kΩ电位器。

图5-1-5中的 C2、C3、C4、C5均为滤波电容，以防止自激和输出直流电压上产生毛刺，电容值均为10μF/16V。

3.3.3.4 反向加法器原理

Vo

反相加法器另一种设计方法如图5-1-9所示。

Vo3

VR

图5-1-9

设fi=200Hz时为Vo3，要求Vo1=1V，则fi=2000Hz时为10Vo3要求Vo=5V

Vo (Vo3

R10R

VR10) R6R9

（1）

(Vo3

R10R

VR10) 1 R6R9R10R

VR10) 5 R6R9

(Vo3

（2）

（1）-（2）：9Vo3

R10R4

4 Vo310 R6R69

（3）

（1） 10-（2）： 9VR

R10R5

5 VR10 R9R99

（4）

由⑷，若取VR= -1V，则

R105

，取定一个电阻就可确定另一个。 R99

即 若取VR

5

V，则R10=R9，取定R10、R9。 9

知道R10，则由⑶根据Vo3大小，可确定R6。 设Vi3= -0.2V，则

R1020

，

R69

从而得R6

9

R10。 20

3.4 测试与调整

3.4.1 调试及测量步骤

观察图5-1-5中有关点的波形。

（1） 可在200Hz~2kHz内的任一频率上观察。

（2） Vi1应为直流电平≈0，幅度≈0.22VCC的正弦波。 （3） Vo1应为单极性的正方波，幅度≈VCC。 （4） Vi2应为直流电平≈VCC的正负脉冲。

（5） Vo2应为正直流电压，Vo3应为负直流电压，VO应为正直流电压。 （6） 测量图5-1-5中有关点的直流电压

（7） 首先要保证频率计，电压表完好，即保证测得的频率、电压数值正确。 （8） 将函数波形发生器的输出信号频率fi调到200Hz。此时 （9） Vo2=0.2V。否则调整Rw1。 （10） Vo3= -0.2V。否则调整R4。 （11） VR应= -5/9V。否则调整Rw2。

（12） Vo应=1V。否则分别检查VR、Vo3产生的输入。 （13） VR产生的输出-应为VR。否则调整R9。 （14） Vo3产生的输出应为-4/9V，否则调整R6。

（15） 固定电阻的调整可用一个接近要求值的电阻和一个小阻值的电阻串联来实现。 （16） 根据5-1-2中的频率点，测出对应的Vo2、Vo3、VR、Vo，应基本符合表5-1-2中的值。

i

3.4.2原始数据及处理

有关点直流电压 与fi的关系

3.4.3 故障分析

1）故障：F/V变换器（KA331）出来的直流量太小。和理论值相差100倍。 2）解决方法：经队友及同学的帮助下，最终发现C6电容接错。

3.4.4误差分析

由于环境（噪音干扰，气流干扰等）及仪器本身的误差及人为误差（读数不准，电路连接不稳等）而引起误差。 数据误差计算：f=200Hz时 E1=(1-0.980)/1 *100%=2%

F=2kHz时 ：E2=（5.16-5）/5 *100%=3.2%

所以E=（E1+E2）/2=2.6%〈10% （符合实验要求）

4. 总结 4.1 思考题

1为何使用反相加法器实现加法运算，而不直接使用同相加法器？

答;有反相加法器和同相加法器的特点可知，反相加法器可以实现各个信号的独立相加，可以调整Rf和R1的比值直接加到输出端，很方便调处所需的输出电压，而同相加法器则需要很难调到需要的输出电压。

4.2 课设总结

通过这次的课程设计，加强了我的动手能力，提高了我的运用知识解决问题的能

力。在本次课程设计中我做的题目是：电压/频率转换电路的设计。在整个方案设计中，我运用了模拟电子的相关知识，包括：积分器、迟滞比较器等模块电路。在选择元件方面，我使用了两个NJM系列的集成芯片、稳压管以及具有单向导通性的晶体二极管，从中我学到了挑选元件的方法和元件的合理构架等书本上没有的知识。

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。没有知识是从天而降的，没有获得不需要付出。是的，我这学期学习了《电子线路（线性部分）》的知识，但是知识繁多，在课堂上不能一一弄懂、弄精，这一次的课程设计给了我机会，让我更加深刻的对模电知识有了深刻的学习和认识。在我拿到题目时，当时我觉得这题目很简单，没有什么大不了的，不就是一个电压/频率的转换器带电路嘛，还能难住我？但在这两个星期的设计过程中，我面红耳赤，惭愧的无地自容，刚开始我连积分器如何使用，如何与比较器进行耦合构成压控振荡器的这样的知识都不了解！

再后来我静下心来决定好好的学习学习，亡羊补牢，为时不晚啊。我去了图书馆进行资料的查阅，整整一天什么事都没有做就在图书馆四楼理工阅览室查阅资料。随着我研究、思

考的深入，对不明白的原理和方法渐渐的弄清楚之后，我开始了电路图的设计，心理不免有点小小的成就感。可在设计的过程中有出现了新的问题：能够设计出无源的方波振荡器，可就是如何加入电源，使之成为一个压控振荡器呢！我又一次的进入了迷茫之中

继续图书馆查阅资料，随着思考的越来越深入，突然在一天午觉时，终于有了顿悟：对，做一个开关，导通时电容放电，不导通时，电容充电，而电容的充电速度的快慢将直接控制输出方波的频率的改变，同时电容的充电速度直接由外接电源来解决！想到这里，我的整个设计思路和框图已经完全出来，万事具备就欠东风啦！我无比的兴奋、激动，为我自己感到高兴，成就感油然而生

接下来就进入了电路图的绘制阶段，值得庆幸的是在这次课程设计之前，我就已经学会了使用电子绘图和仿真软件multisim。在绘图和仿真阶段，进行的相当的顺利，对电阻和电容数值的调试也是很顺利的。

设计过程如一条蜿蜒曲折的小径，你永远不知道下一个拐弯后有什么等待这你。这一次的课程设计的全过程，让我体会到的是设计的艰辛，但更多的是在设计过程中发现问题、解决问题的喜悦，我开始越来越喜欢上电子设计了。

5. 参考文献

【1】 谢嘉奎 主编， 电子线路线性部分（第四版）， 高等教育出版社，1999 【2】 翁飞兵 陈棣湘 主编， 电子技术实践教程， 国防科技大学出版社，

2003

【3】 毕满清 主编， 电子技术实验与课程设计， 机械工业出版社， 2006 【4】 何光明 主编， 电子技术基础（模拟部分）， 清华大学出版社， 2004 【5】 李万臣 主编， 模拟电子技术基础 设计 仿真 编程 与实践， 哈尔

滨工业大学出版社， 2005

【6】 彭介华 主编， 电子技术课程设计指导， 高等教育出版社， 1996 【7】 编写委员会， 中国集成电路大全， 国防工业出版社， 1985

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