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电压频率转换电路的设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.78M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    课程设计报告书专用纸 1．绪论 电压/频率转换电路主要是针对于模拟信号在远距离传输时容易失真的缺点 而设计的，它的作用主要是将模拟输入信号转换为频率与其电压幅值对应的输出 信号，从而提高远程传输的精确度。根据原理它主要是由积分器，电压比较器等 构成。而本次设计的过程是通过查阅相关的资料，根据原理合理选择器件设计出 满足设计要求的电路，画出电路图，然后通过仿真软件进行模拟，从而电路输入 直流电压为 0-10V 时可以得到 f=0-500HZ 的矩形波。 1.1 设计内容 根据所学的原理，通过合理选择各所需的元件，设计一个将直流电压 0-10V 转换成给定频率 f=0-500HZ 的矩形波，即用输出矩形波频率来表示输入直流电压 的大小，并且将设计后的电路图通过仿真软件进行模拟 1.2 设计要求 输入 0-10V 直流电压 输出 f=0-500HZ 矩形波 1.3 设计方案的选择 设计的总体思路是采用积分器作为输入电路，然后其输出连接电压比较器，最后 输出。其原理是利用输出电压的变化改变电容的充电速度，从而可以进一步改变 振荡电路的振荡频率，由于积分器则具有此特性，因此可以利用积分器作为其输 入电路。当积分器的输出信号去控制电压比较器时可得到矩形脉冲输出，由输出 电压信号通过反馈控制积分电容恒流放电，当电容放电到某一值时，电容再次充 电。从而实现了输出脉冲信号的频率决定于电容的冲放电速度，这就实现了电压 到频率的转换这种设计的方式通过简单的方式实现了电压向频率的转化，同时由 于有反馈元件的作用使得电路具有一定得稳定性，使得电路可以用于实际的应用 之中。如下图所示为电压/频率变换电路的原理框图 1
    课程设计报告书专用纸 Vi Vf F0 积 分 器 比 较 器 Vr 复位式电压/频率变换电路的原理框图 2． 单元电路设计 2.1 积分电路 由数学运算中我们所学的公式 y=K∫Xdt 可以推出只要在电路中实现了电路 模式为 u=K∫Uidt，则实际上已经实现了电路中所需要的积分的功能，实际生活 中经常使用的积分电路如下图所示。下面给出对于积分电路实现的推导过程  1  C U  C U C U o I C dt , , I 1  I f U o  C  I 1 CR 1   i U R i dtU i 可见，此电路可以实现积分运算，而其中的对应于数学公式里的 k=-1/(R1C) 2
    课程设计报告书专用纸 R1 I1 U i C － ＋ IC R2 ∞ ＋ U o 积分电路电路图 2.2 电压比较器 它只是一个门限电压，如下图(a)所示： 当 UREF=0 时： u N 1 当 u I  ,0 时 u N 2  2 I R uR 1  R  1 UR 2 REF RR  1 2 UR 2 REF RR  1 2 R 2 R 1  U T u N  u N 1  u N 2  uR 1 I RR  1 2  令 u N  u P  ,0 得 : U REF 由图(b)可见:当 UIUT 时,输出 U0 为低电平 • 单限比较器是开环工作的，当输入信号是慢变化的电位时，输出也是 3
    课程设计报告书专用纸 慢变化的。解决的办法是在运放电路中引入正反馈，加速输出电压的跃变， 并使传输特性具有迟滞作用。 (a)单端输入单限比较器 (b)电压传输特性 2.3 迟滞比较器 它具有迟滞回线形状，故具有两个门限电位，称为上门限电位 VH 和下门限 电位 VL，两者差为门限宽度或迟滞宽度△V，即 △V=VH-VL 2-3-2 当输入电压从低值达到超过上门限电位 VH 时，比较器输出可能从低的 Vomin 到高的 Vomax;,也可能从高的 Vomax 到低的 Vomin。前者叫做上行（迟滞）特性； 后者叫做下行（迟滞）特性，其比较器分别称为上行（迟滞）比较器与下行（迟 滞）比较器，如图 2-3-2 所示在图中，输出电压 Vo 经 RF 反馈到比较器同相端， 4
    课程设计报告书专用纸 一旦输出电位从高电位 Vomax 跳向低电位 Vomin,正反馈迫使同相端电位也随之 下跳，从而加速了输出电位的跳变过程，反之亦然，因为引入正反馈，使迟滞比 较器产生两个门限电位。 图 3-6-2 （a ） 中 ， 输 出 电 压 为 Vomax 时 ， 同 相 端 电 压 为 V = R 2 2 R+R F V o max + R 2 F R+R F V R 3-6-3 使 Vmax 转换到 Vomin，必须 Vi≥V+’才行，所以上门限电位为 VH = V = R 2 2 R+R F V o max + R 2 F R+R F V R 3-6-4 同理，下门限为 所以门限宽为 VL= V = R 2 R  F R 2 V o min  R F R  2 F R V R △V= R 2 R  F R 2 V( 0 max  V o min ) 而图 3-6-2（b）电路的三个参数为 VL= R1(  R 2 F V) R  VH= R1(  R 2 F V) R  R R 2 F R R 2 F V o max V o min △V= R R 2 F V( o max  V o min ) 3-6-5 3-6-6 3-6-7 3-6-8 3-6-9 5
    课程设计报告书专用纸 (a)下行迟滞比较器 (b)下行迟滞比较器传输特性 3. 总电路图及其工作原理 3. 1 复位式电压/频率转换电路 如下图所示为复位式电压/频率转换电路,根据其原理图可以得知,该电路 图由 A1:积分电路,A2:电压比较器,T:PNP 型晶体三极管作为电子开关以及直流 电源 VCC 等构成的, 同时,在实际的设计中电子开关还可以使用 MOS 管来实现. 同时本电路在复杂度上相对于电荷平衡式的要小，在实验室里易于实现，但是由 于电子开关自身的缺陷使得电路的精确度并不是很高。对于其工作原理将在以下 的分析中将给出： 6
    课程设计报告书专用纸 复位式电压频率转换电路 3.2 复位式电压/电路的工作原理 电路由积分器和单限比较器组成，其中 S 为电子开关，可以由三级管和或场效应 管构成。设输出电压 uO 为高电平 UOH 时 S 断开，uO 为低电平 UOL 时 S 闭合。当 电源接通后，由于电容 C 上电压为零，即 uO1=0，使 uO=UOH，S 断开，积分器对 uI 积分，UI 逐渐减小；一旦 uO1 过基准电压 UREF，uO 将从 UOH 跃变为 UOL，导致 S 闭合，使 C 迅速放电至零，即 uO1=0，从而 uO 将从 UOL 跃变为 UOH，；S 又断开， 重复上述过程，电路产生自激振荡，波形如图（b）所示。uI 愈大，Uo 从零变 化到 UREF 所需时间愈短，振荡频率也就愈高。从而实现了利用电压控制频率的输 出，既是实现了电压的变化用频率表示 7
    课程设计报告书专用纸 复位式电压频率转换器的原理图和波形分析 3.3 原件参数的计算和器件的选择 3.3.1 基础电路的参数计算 根据复位式电压频率转换电路的特性可以得到 f=Ui/（R1CUREF）； 设取 C=2uf 的电容器，取电压源 Ucc=-5v，R6=R8=1KΩ,R7=10k。设 经过调节滑动变阻器后 UREF=-2V,则可以得到此时对应的 R1=5K。 3.3.2 元件的选择以及元件的特性 晶体三极管：9012 ——它是一种低电压,大电流,小信号的 PNP 型硅三极 管 8
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