電壓頻率轉(zhuǎn)化器

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）題目：題目：電壓電壓/頻率變換器頻率變換器院（系）：院（系）： _專(zhuān)業(yè)班級(jí)：專(zhuān)業(yè)班級(jí)： _學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： _學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： _指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：起止時(shí)間： 2014.6.30-2014.7.112014.6.30-2014.7.11 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）本科生課程設(shè)計(jì)（論文）IV課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電子與信息工程學(xué)院 教研室： 電子信息工程學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)班級(jí)課程設(shè)計(jì)（論文）題目電壓電

2、壓/頻率變換器頻率變換器課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)參數(shù)：（1）設(shè)計(jì)一種振蕩頻率隨外加控制電壓變化的振蕩器。（2）設(shè)計(jì)放大器所需的直流穩(wěn)壓電源。（3）電壓/頻率變換器輸入 Vi為直流電壓（控制信號(hào)） ，輸出頻率為 f0的矩形脈沖，且。vif 0（4）Vi 變化范圍：010。 （3）f0變化范圍：010kHz。 （4）轉(zhuǎn)換精度1%。設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求：1 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開(kāi)思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考

3、慮器件的來(lái)源，敲定可行方案。3 .設(shè)計(jì)各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。4 .組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說(shuō)明。進(jìn)度計(jì)劃第 1 天：集中學(xué)習(xí)；第 2 天：收集資料；第 3 天：方案論證；第 4 天：選擇器件進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)；第 5 天：?jiǎn)卧娐吩O(shè)計(jì)及仿真；第 6 天：整體電路設(shè)計(jì)并仿真；第 7 天：電路焊接制板；第 8 天：焊接調(diào)試；第 9 天：完善設(shè)計(jì)；第10 天：答辯。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī) 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日本科生課程設(shè)計(jì)（論文）V注：成績(jī)：

4、平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算摘 要隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化得到快速發(fā)展，而在工業(yè)控制領(lǐng)域，檢測(cè)傳感器件起著越來(lái)越重要的作用，各種先進(jìn)的傳感器正在大量應(yīng)用電壓頻率轉(zhuǎn)換器。本次課設(shè)設(shè)計(jì)電路實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)方波鋸齒波發(fā)生電路，只不過(guò)這里是通過(guò)改變輸入電壓 Vi 的大小來(lái)改變輸出波形頻率，從而將電壓參量轉(zhuǎn)換成頻率參量。電壓頻率轉(zhuǎn)換器的用途較廣。為了使用方便，一些廠家將電壓頻率轉(zhuǎn)換器做成模塊，有的電壓頻率轉(zhuǎn)換器模塊輸出信號(hào)的頻率與輸入電壓特性的非線性誤差小于 0.02%, 但振蕩頻率較低,一般在 100KHZ 以下。本次課程設(shè)計(jì)利用輸入電壓的大小改變電容的充電

5、速度,從而改變振蕩電路的振蕩頻率,故采用積分器作為輸入電路,積分器的輸入信號(hào)去控制電壓比較器或者單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,可得到矩形脈沖輸出,由輸出信號(hào)電平通過(guò)一定反饋式控制積分電容恒容放電,當(dāng)電容放電到某一域值時(shí),電容 C 再次充電,由此實(shí)現(xiàn) Vi 控制電容充放電速度,即控制輸出脈沖頻率。關(guān)鍵詞：反向輸入積分器；電子開(kāi)關(guān)；反饋式控制 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）VI目 錄第 1 章 緒論 .11.1 電壓頻率轉(zhuǎn)換器概況 .11.2 本文研究?jī)?nèi)容 .1第 2 章 電壓頻率變換器電路設(shè)計(jì) .22.1 電壓頻率變換器總體設(shè)計(jì)方案 .22.2 具體電路設(shè)計(jì) .22.2.1 積分電路設(shè)計(jì) .22.2.2 電子開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

6、.22.2.3 電源電路設(shè)計(jì) .22.3 元器件型號(hào)選擇 .2第 3 章 MULTISIM 仿真、數(shù)據(jù)分析.8第 4 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) .2參考文獻(xiàn) .2元器件清單 .2本科生課程設(shè)計(jì)（論文）1第 1 章 緒論1.1 電壓頻率轉(zhuǎn)換器概況電壓頻率轉(zhuǎn)換器 VFC（Voltage Frequency Converter）是一種實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件，將模擬電壓量變換為脈沖信號(hào)，該輸出脈沖信號(hào)的頻率與輸入電壓的大小成正比。電壓頻率轉(zhuǎn)換器也稱(chēng)為電壓控制振蕩電路（VCO） ，簡(jiǎn)稱(chēng)壓控振蕩電路。電壓頻率轉(zhuǎn)換實(shí)際上是一種模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。當(dāng)模擬信號(hào)（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出是一串

7、頻率正比于模擬信號(hào)幅值的矩形波，顯然數(shù)據(jù)是串行的。這與目前通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行輸出不同，然而其分辨率卻可以很高。本次課程設(shè)計(jì)利用輸入電壓的大小改變電容的充電速度,從而改變振蕩電路的振蕩頻率,故采用積分器作為輸入電路,積分器的輸入信號(hào)去控制電壓比較器或者單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,可得到矩形脈沖輸出,由輸出信號(hào)電平通過(guò)一定反饋式控制積分電容恒容放電,當(dāng)電容放電到某一域值時(shí),電容 C 再次充電,由此實(shí)現(xiàn) Vi 控制電容充放電速度,即控制輸出脈沖頻率。1.2 本文研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)要求：（1）分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開(kāi)思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。（2）確定

8、合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來(lái)源，敲定可行方案。（3）設(shè)計(jì)各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。（4）組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說(shuō)明。技術(shù)指標(biāo)：（1）電壓/頻率變換器輸入 Vi為直流電壓（控制信號(hào)） ，輸出頻率為 f0的矩形脈沖，且。vif 0本科生課程設(shè)計(jì)（論文）2（2）Vi變化范圍：010。（3）f0變化范圍：010kHz。（4）轉(zhuǎn)換精度1%。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）3第 2 章 電壓頻率變換器電路設(shè)計(jì)

9、2.1 電壓頻率變換器總體設(shè)計(jì)方案2.1.1 方案論證方案一：利用一個(gè)運(yùn)算放大器與 555 時(shí)基電路組成的高精度電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，555 時(shí)基電路接成自激諧振蕩器，只是它的充放電電阻由運(yùn)算放大器組成的電流發(fā)生器所代替，故而使電路的非線性度不小于 3%，若輸入電壓Vi從05V 變化時(shí)，在輸出頻率 0 21KHZ，頻率變化率為 4.1KHZ/V，調(diào)節(jié) RP 可作適當(dāng)微調(diào)為確保電路精度。R1R4 應(yīng)采用誤差不超過(guò) 0.5%精密型金屬膜電阻器。雖說(shuō)此方案精確度高，但成本較高。方案二：利用輸入電壓的大小改變電容器的充放電速度，從而改變振蕩頻率，故可采用積分器作為輸入電路，積分器的輸入信號(hào)去控制電壓比較器

10、，可得到矩形脈沖輸出。有輸出信號(hào)電平通過(guò)一定反饋方式控制積分電容恒流放電，當(dāng)電容放電到某一值時(shí)，電容 C 再次充電。可見(jiàn)，輸出脈沖信號(hào)的頻率決定于電容的充放電速度，即決定Vi值的大小，這就實(shí)現(xiàn)了電壓/頻率轉(zhuǎn)換。比較以上方案，本設(shè)計(jì)選用方案二來(lái)完成。2.1.2 總體設(shè)計(jì)方案框圖圖2.1 總體設(shè)計(jì)方案框圖利用輸入電壓的大小改變電容器的充放電速度，從而改變、振蕩頻率，故可電子開(kāi)關(guān) 積分運(yùn)算電路輸出的方波信號(hào)滯回電壓比較器本科生課程設(shè)計(jì)（論文）4采用積分器作為輸入電路，積分器的輸入信號(hào)去控制電壓比較器，可得到矩形脈沖輸出。有輸出信號(hào)電平通過(guò)一定反饋方式控制積分電容恒流放電，當(dāng)電容放電到某一值時(shí)，電容

11、C 再次充電?？梢?jiàn)，輸出脈沖信號(hào)的頻率決定于電容的充放電速度，即決定Vi值的大小，這就實(shí)現(xiàn)了電壓/頻率轉(zhuǎn)換。2.2 具體電路設(shè)計(jì)2.2.1 積分電路設(shè)計(jì)我們知道積分電路輸出電壓變化的速率與輸入電壓大小成正比，如果積分電容充電使輸出電壓達(dá)到一定程度后，設(shè)法使它迅速放電，然后輸入電壓再給它充電，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，其振蕩頻率與輸入電壓成正比，即電壓頻率轉(zhuǎn)換器。積分器采用運(yùn)算放大器和 RC 元件構(gòu)成的反相輸入積分器。積分器的作用是當(dāng)電路輸入方波時(shí)，如果積分時(shí)間常數(shù)選擇的合適，則積分電路輸出為三角波，如果積分時(shí)間常數(shù)選的過(guò)小，即積分速度太快，將使積分電路輸出在輸入電壓產(chǎn)生跳變前就達(dá)到了飽和值，從而

12、使輸出電壓不為三角波。電源信號(hào)通過(guò)積分電路反相端，得到矩形信號(hào)。假設(shè)輸入信號(hào) Vs是階躍信號(hào)，且電容 C 初始電壓為零，則當(dāng) t0 時(shí)： 積分電路公式：這表明輸出電壓 vo與時(shí)間 t 成線性關(guān)系。圖2.2 積分電路tIvdvRCvsttso01本科生課程設(shè)計(jì)（論文）52.2.2 電子開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)圖2.3 電子開(kāi)關(guān)電路電子開(kāi)關(guān)采用開(kāi)關(guān)三極管接成反相器形式，當(dāng)觸發(fā)器的輸出為高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，輸出近似為0，當(dāng)觸發(fā)器輸出為低電平時(shí)，三極管截止，輸出近似等于+Vcc。2.2.3 電源電路設(shè)計(jì)圖2.4 電源電路單相交流電經(jīng)過(guò)電源變壓器、單相橋式整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。 直流電

13、壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而需要通過(guò)電源變壓器降壓后，再對(duì)交流電壓進(jìn)行處理。變壓器副邊電壓通過(guò)整流電路從本科生課程設(shè)計(jì)（論文）6交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，即將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈沖電壓。 為了減少電壓的脈動(dòng)，需通過(guò)低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。 交流電壓通過(guò)整流、濾波后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，但是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或者負(fù)載變化時(shí)，其平均值也將隨之變化。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)負(fù)載變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。2.2.4 總體電路設(shè)計(jì)圖2.5 總體電路輸入電壓的大小改變電容的充電速度,從而改變振蕩電路的振蕩頻率,故采用積分器作為輸入電路,

14、積分器的輸入信號(hào)去控制電壓比較器，可得到矩形脈沖輸出,由輸出信號(hào)電平通過(guò)一定反饋式控制積分電容恒容放電,當(dāng)電容放電到某一域值時(shí),電容 C 再次充電,由此實(shí)現(xiàn) Vi 控制電容充放電速度,即控制輸出脈沖頻率。2.3 元器件型號(hào)選擇根據(jù)題目要求結(jié)合電路圖，輸入與輸出關(guān)系 Vif0，題目要求輸入電壓的范圍為010V，而輸出頻率要求為 010KHZ，所以該 VFC 電路需有 1khz/v 的換系數(shù)。LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)放放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增

15、益模本科生課程設(shè)計(jì)（論文）7塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。9014是非常常見(jiàn)的晶體三極管，在收音機(jī)以及各種放大電路中經(jīng)常看到它，應(yīng)用范圍很廣，它是NPN型小功率三極管。9014 的參數(shù)：集電極最大耗散功率 Pcm=0.4W（Tamb=25）集電極最大允許電流 Icm=0.1A集電極基極擊穿電壓 Vcbo=50V集電極發(fā)射極擊穿電壓 Vceo=45V發(fā)射極基極擊穿電壓 Vebo=5V集電極發(fā)射極飽和壓降 Vce(sat)=0.3V (Ic=100mA; Ib=5mA)基極發(fā)射極飽和壓降 Vbe(sat)=1V (Ic=100mA; Ib=5mA)特征頻率 ft=150MHzH

16、FE： A=60150; B=100300; C=200600; D=4001000本科生課程設(shè)計(jì)（論文）8第 3 章 Multisim 仿真、數(shù)據(jù)分析輸入為 1V 時(shí)，仿真圖形如圖 3.1。圖 3.1 輸入為 1V 時(shí)仿真圖形輸入為 3V 時(shí)，仿真圖形如圖 3.2。圖 3.2 輸入為 3V 時(shí)仿真圖形本科生課程設(shè)計(jì)（論文）9 輸入為 5V 時(shí)，仿真圖形如圖 3.3。圖 3.3 輸入為 5V 時(shí)仿真圖形輸入為 8V 時(shí)，仿真圖形如圖 3.4。圖 3.4 輸入為 8V 時(shí)仿真圖形本科生課程設(shè)計(jì)（論文）10第 4 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)通過(guò)方案對(duì)比，選出如下方案，電壓/頻率變換器的輸入信號(hào)頻率 f

17、。與輸入電壓Vi的大小成正比，輸入控制電壓Vi 常為直流電壓，也可根據(jù)要求選用脈沖信號(hào)做為控制電壓，其輸出信號(hào)可為正弦波或者脈沖波形電壓。本設(shè)計(jì)利用輸入電壓的大小改變電容的充電速度，從而改變振蕩電路的振蕩頻率，故采用積分器作為輸入電路。積分器的輸出信號(hào)去控制電壓比較器，可得到矩形脈沖輸出，由輸出信號(hào)電平通過(guò)一定反饋方式控制積分電容恒流放 電， 當(dāng)電容放電到某一域值時(shí)， 電容 C 再次充電。 由此實(shí)現(xiàn) Vi 控制電容充放電速度， 即控制輸出脈沖頻率。通過(guò)減小電容的容量可以獲得更大震蕩頻率。電壓/頻率 轉(zhuǎn)換電路與計(jì)算機(jī)的接口比較簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換精度和線性度也比較好。通過(guò)這次課設(shè)教我學(xué)會(huì)很多關(guān)于電子產(chǎn)品知

18、識(shí)。進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)了我們現(xiàn)實(shí)生活電子產(chǎn)品，了解和掌握了一些簡(jiǎn)單電子元件的運(yùn)用，大大的拓展了我們的知識(shí)面。提高了自己以后在學(xué)習(xí)生活中自己動(dòng)手能力。給我們很大的啟發(fā)，很有助于我們將來(lái)的學(xué)習(xí)生活和工作。通過(guò) Multision 10 仿真軟件對(duì)電路中電源電路，積分電路，滯回比較器的仿真，得到了具體的仿真結(jié)果，從而完成了本次設(shè)計(jì)。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）11參考文獻(xiàn)1 康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）.第五版.北京：高等教育出版社,2005.2 華成英主編.模擬電子技術(shù)基本教程. 北京：清華大學(xué)出版社，2009.8.3 李杰等編著.電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社，2008.4 鄭家龍主編.集成電子技術(shù)基礎(chǔ)教程. 北京：高等教育出版社,2002.5 Altera 可編程邏輯器件及其應(yīng)用.劉寶琴，譯，