电压——频率转换

1.设计内容及要求…………………………………………    

2.其他方案…………………………………………………

3.框内电路设计………………………………………………  

4.总电路描述………………………………………………… 

5.电路器件表………………………………………………… 

6.总电路图…………………………………………………… 

7.调试问题及修改方法……………………………………… 

8.最终实验数据及分析……………………………………… 

9.实验札记…………………………………………………… 

10.参考书列表………………………………………………… 

11.附录………………………………………………………… 

（一）、设计内容及要求

一、课题：V/F转换（压控振荡器VCO）

二、要求：

（1）输入电压为0~10V，输出信号为0~10KHz的脉冲波,两者呈线性关系；

（2）输出是脉冲，宽度20uf~50uf，宽度不变；

（3）精度要求，最大误差10Hz。

三、电路框图（如下所示）

（二）、其他方案

（1）双D实现vco:

（2）光耦合v/f转换装置：

（三）、框内电路设计

一、电源端

Rw

R1

这里R1=2kΩ,结合串联电路分压定律，从而确保滑动变阻器在滑动的过程中，端口的输出电压能够顺利地取到0至10V之间的所有值。

二、电压跟随器：

对失调电阻的计算：

为了使电路的输出在整个电压输入的范围内平均误差最小，则取Rw=5kΩ时，计算失调电阻，由运算放大器及深度反馈知识可得：R2=5//(5+4.7)=3.3(kΩ)

引入电压跟随器是为了进行阻抗变换，使得电源的内阻对后面的电路不产生影响，从而确保后面电路在压控转换中的良好线性。

二、反相积分电路：

相关参数计算：

首先假设电容正向充电占总脉冲的0.24

当输入端输入电压为10V时，整个积分电路输出端的输出电压变化差值为10V，则由积分电路公式可得：

-10V=*10V*0.24*T                   ①

其中T=1/f=1.0*10-4,由①可得：RC1=0.24*10-4

现电路中R*0.01uF=0.24*10-4，符合计算得到的结果。R3 这个阻值是通过4.7kΩ滑动变阻器调节得到。

（3）端输出电压的波形如下图所示：

四、555单稳态电路：

555计时器的接法及相关参数计算：

555组成的单稳电路可以计算R的阻值。我们只需要Tw值介于20us和50us就可以。又Tw=RCln3，取R=4.3K，得到Tw=47.2us。

四、开关电路：

R3

R2

R1

各个部件的数值计算：

    R1和R2是偏置电阻，使输入高电平时三极管导通，输入低电平时三极管截止。

为了防止稳压管电流过大，接入R3 =1K。

为了让反相充电电流较大且保证在三极管导通时（相当于开关电路导通的状态）电位为“-”，R2应该较小，可取为1KΩ。

（四）、总电路描述

一、功能描述：

整体电路的功能是一个压控振荡器，即将0~10V的电压输入线性转换成0~10kHz的频率信号输出。

二、原理描述：

连接好整体电路以后，接通电源，（2）端为“+”，通过反相积分器后，（3）端为“-”，则送入555芯片TRI脚的电压小于5V，OUT输出高电平，产生触发脉冲。高电平使开关电路部分的三极管导通，则有β>>1，IC=IE，即相当于（4）端通过两个电阻直接接到了-3V的稳压管上。

此时，（2）端电位为“-”，通过反相积分器后，（3）端为“+”,则送入555芯片TRI脚的电压大于5V，OUT输出低电平。开关电路部分的三极管截止，则相当于（2）直接接在电压跟随器上，（2）脚的电位再次变为“+”。此后又进入了前一段所述的电路状态。

以上两个阶段循环往复，从而使555芯片构成的单稳电路按照反响积分器所规定的周期得到触发，形成设计要求的波形。

三、结构描述：

这是一个变相的反馈电路。由555芯片构成的单稳电路OUT输出来控制开关电路三级管的工作状态，控制反相积分器输入电位的极性，进而对单稳电路的工作状态进行反馈。整个电路由多个功能模块组成，必须对电路各个部分要分别进行测量和调试，才能确保实现设计内容中对压控转换的高精度要求。

（五）、电路器件表

A、 可调式双通道直流稳压稳流电源                1台

B、 LF353双运放集成芯片                        1片

C、 555集成芯片                                1片

D、 三极管                                      1只

E、 二极管                                      1只

F、 稳压值为3V的稳压管                         1只

G、 面包板                                      1块

H、 10kΩ滑动变阻器                             1只

I、 4.7kΩ滑动变阻器                            1只

J、 固定电阻

2kΩ，3kΩ，50 kΩ，20 kΩ，4.3 kΩ            各1个

1kΩ                                            2个

10 kΩ                                          3个

K、 0.01uF电容                                  2个

L、 万用电表（带表棒）                           1台

M、 25uF电解质电容                              2个

N、 导线                                        若干

O、 双踪示波器                                   1台

（六）、总电路图

见最后的附录

（七）、调试问题及修改方法

下面仅就本人在调试过程中所遇到的问题进行分析，写成问答形式。

（1）问： 为什么我的电路图连好了，器件的极性也接对了，但是在示波器里却只有一根水平线，没有波形？

答： 这说明积分电路没有工作。可能有一下原因：①运算放大器的V+和V-没有按要求接好；②555芯片8号脚没有加工作电压；③电路中的参数不合理。

相应的修改方法：对于①②两种情况，只要检查芯片相应的引脚和相应的的电源是否接好；对于情况③，则要麻烦一些，要求对电路重新进行计算，根据计算不断修改器件参数，对各部分功能电路模块分块进行排查，确保各个部分的正常工作。

（2）问： 我得到了波形，但是显示的频率不对，应该怎样调节？

答： 先调节变阻器Rw，使得输入电压为10V。在此情况下，将结果输出接在示波器上，调节变阻器R ，使示波器上一个完整波形的间隔时间为ΔT=48us即可。

（3）问： 我已经得到了设计要求中的转换频率，但是误差较大，线性度也不是很好，应该怎样调节？

答： 除了反复多次根据要求调节变阻器R3来减小误差外，还可以调节电压跟随器和反相积分电路中两个运算放大器的失调电阻，通过减少失调来减小误差，追求更好的线性性质。

（八）、最终实验数据以及分析

实验数据

  周期t

电压

（1）表中电压为输入电压，即电压跟随器后送入积分电路的电压；

（2）表中周期为最终得到的方波的频率的倒数，即T=1/f。周期数据便于从示波器上读出，且精度较高。

实验数据处理

利用图像法处理实验数据，得到相应的误差分析：

由上述实验数据分析可知：

设计的电路基本上将误差控制在了1%以下，而且这些误差很有可能是来自测量误差以及测量仪器的误差，所以设计电路基本符合实验要求。

从实验数据中反应出设计电路的精度基本符合要求，但线性还有待进一步改进，则有如下所述改进方法：

(1)在不同输入电压的情况下，加强调节失调电阻，使得线性误差进一步减小；

(2)对整个电路的参数进行微调，获得满意的效果；

(3)加强电源和积分器的滤波，排除杂音信号。

（九）、实验心得

对我而言，这是一次很有意义的实验设计课。它让我明白了自己动手的重要性，也让我明白了理论和实验的相辅相成以及实验和单纯理论的区别所在。以前的上课都是听老师讲课，根本不知道怎么样将自己学到的知识运用到实际中去。然而现在我明白了，要真正地掌握知识和技能，仅仅学习书本上的知识是远远不够的，还要依靠实验加深自己对知识的理解和应用。

在课程设计的第一次课上，在老师的讲解下我完成了电路图，但是对整个电路中所有元器件的参数都没能精确地进行计算。有的器件都已经忘了它的作用了，像555连它的引脚都忘了，以前学过的知识似乎差不多都还给老师了。不得不回到宿舍拿起以前的课本再复习一遍。将忘掉的部分重新学习一遍，这让我收获颇多。

接下来的时间里我的任务是仿真，用的是EWB软件，用起来比较简单，但是就是出不来图像。后来问了老师和同学才知道我的运放规格选错了，应该用LF353的。还有有的参数跟正确的参数相差很大，我们就一起讨论，一起推演。这让我认识到在学习中跟同学们交流像老师请教的重要性，一个人的思维是有限的，集思广益才会有更大的发展、更大的提高。

在领到实际器件后我就开始连接了，没有考虑到布局的问题，所以等到做完之后才发现我的电路图真的是太难看了，惨不忍睹。再看看同学们的都很清晰，看上去就是很舒服。于是我一口气全都给拆了，再重新连了起来。当然这无疑是浪费了很多时间，所以从这件事中我学到了，做任何事前都要先考虑好，整体的布局美观也是相当的重要。

在后来的动手中也不是很顺利，接上了就是没有出现我想要的图形，我又有一口气拆掉的冲动，但是记得老师曾经告诉我我们不要这样，要一步步的检查。于是我就慢慢检查起来。最终发现原来我的555的5端口在没有电容的情况下接地了，这让我哭笑不得。记得那天是星期四，做到晚上9点20才回宿舍的。我对我的作品很满意，很开心，有种叫成就感的东西充满我的全身。

虽然波形出来了，接下来就是精度了，这可是个慢活，得一步步来，急不得。终于将误差压到50Hz，这是我能达到的最好的成绩了。可是我看到有的同学可以达到10Hz的，真的是不简单啊。

通过这次实验，我觉得自己在很多方面都有进步。首先，我通过实验，对原来数电和模电课本中的知识进行了复习和更加深刻的理解；其次，在实验的过程中，我有时会觉得烦躁，但是这些情绪最后都被我一一克服，这告诉我做工程需要耐心和持之以恒的精神；最后，通过这次实验，让我看到了自己在各方面的不足，动手能力，思考能力，团队合作能力，都得到了提高。

这次的课程设计让我收获很多。 

（十）、参考书列表

①《电子技术基础（模拟部分）》 康华光 主编 高等教育出版社

② 《数字电子技术基础》  张申科 崔葛瑾 主编  电子工业出版社

③ 《电路（第五版）》   邱关源 主编   高等教育出版社

④  电路、模电、数电上课的相关电子课件

（十一）、附录（总电路图）