电压频率转换器

模拟电子技术基础  课程设计（论文）

题目：电压/频率转换器

院（系）：电子与信息工程学院 

专业班级：    通信111      

学    号：  110405003      

学生姓名：      阚旋        

指导教师：                  （签字）

起止时间：2013.7.1—2013.7.12

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电子与信息工程学院                      教研室：电子信息与工程

摘 要

电压/频率变换器实质上是一种振荡频率随外加控制变换器。其主要是通过输入电压控制输出频率，电压/频率变换电路的输出信号频率

与输入电压

成正比，所以在调频，锁扣，和模/数变换等许多领域中，得到了非常广泛的应用，电压/频率变换电路中的主要部分已经能集成在一块硅片上，这就为它的广泛应用创造了有利条件。压控振荡器的应用十分广泛，若用方波作为控制电压，压控振荡器就是双频振荡器，能交替输出两种频率的波型，若用正弦交流电压作为控制电压，压控振荡器就成了调频振荡器，能输出抗干扰能力很强的调频波，上述各类信号波形以应用于各种智能测试设备和自动控制系统中。电压/频率变换器还具有精度高，线性度高，温度系数低，功耗低，动态范围宽的一系列优点。

本设计电压频率转换器，利用LM741运算放大器与555定时器为核心器件的高精度线性电压频率转换器。整个电路主要是由稳定电压源模块、信号输入模块、恒流源模块、输入信号变换模块、以555定时器为核心的压频转换模块等5个模块组成的。本设计方案温漂小、抗干扰能力强、价格便宜、线性度较好、而且变换精度高。

关键词：电压频率转换器；积分电路；555计时器；线性

第1章 绪论    1

1.1 电压/频率变换器的设计意义    1

1.2 电压/频率变换器的设计要求和技术指标    1

1.3 电压/频率变换器的总体设计方案    1

1.3.1 电压/频率变换器的方案论证    1

1.3.2 电压/频率变换器的总体设计框图    I

第2章 电压/频率转换器各部分电路设计    3

2.1 电压/频率变换器积分电路设计    3

2.2 电压/频率变换器触发器    4

2.3 电压/频率变换器开关电路设计    5

2.4 电压/频率变换器直流稳压电源设计    6

第3章 电压/频率转换器总体电路    7

3.1 总体电路及工作原理    7

3.2 参数的计算与选择    7

3.3 电路的仿真结果    8

第4章 课程设计总结    14

参考文献    15

附录I 总体电路图    16

附录II 元器件清单    17

第1章 绪论

电压/频率变换器的设计意义

电压/频率变换器实质上是一种振荡频率随外加控制变换器。其主要是通过输入电压控制输出频率，电压/频率变换电路的输出信号频率

与输入电压

成正比，所以在调频，锁扣，和模/数变换等许多领域中，得到了非常广泛的应用，电压/频率变换电路中的主要部分已经能集成在一块硅片上，这就为它的广泛应用创造了有利条件。压控振荡器的应用十分广泛，若用方波作为控制电压，压控振荡器就是双频振荡器，能交替输出两种频率的波型，若用正弦交流电压作为控制电压，压控振荡器就成了调频振荡器，能输出抗干扰能力很强的调频波，上述各类信号波形以应用于各种智能测试设备和自动控制系统中。电压/频率变换器还具有精度高，线性度高，温度系数低，功耗低，动态范围宽的一系列优点。

电压/频率变换器的设计要求和技术指标

设计一种电压/频率变换器，输入

为直流电压（控制信号），输出频率为

矩形脉冲

（1）电压/频率变换器输入

为直流电压（控制信号），输出频率为

的矩形脉冲，  且

。

（2）

变化范围：0~10。N0

（3）

变化范围：0~10kHz。

（4）转换精度<1%。

电压/频率变换器的总体设计方案

电压/频率变换器的方案论证

方案一：采用积分器和单稳态触发器组成的电压频率交换器，通过电子开关实现对电路工作的控制。

方案二：采用积分器和滞回比较器组成的电压频率交换器，也是通过电子开关实现对电路工作的控制

两个方案的相同之处都是用到积分器电路、直流稳压电源和电子开关电路等电路部分，不同的地方在于方案二用了滞回比较器代替了方案一中用555定时器做成的单稳态触发器。

在方案二中各方面的数据比方案一难调出结果，在频率计显示的结果跳动不停，无法调节，所以我选择了相对容易控制的方案一作为我的方案。

电压/频率变换器的总体设计框图

图1.1电压/频率变换器的总体设计框图

工作原理：

电压/频率变换器的输出信号频率

与输入电压

的大小成正比，输入控制电压

常为直流电压，也可以根据要求选用脉冲信号作为控制电压。其输出信号可为正弦波或者脉冲波形电压。如图1.1所示，利用输入电压的大小改变电容器的充电速度，从而改变振荡电路的振荡频率，可以用积分器作为输入电路。积分器的输出信号去控制电压比较器或者单稳态触发器，可得到矩形脉冲输出，由输出信号电平通过一定反馈方式控制积分电容恒流放电，当电容放电到某一定值时，电容再次充电。所以，输出脉冲信号的频率决定于电容的充放电速度，即决定于

值的大小，从而就实现电压/频率变换。

第2章 电压/频率转换器各部分电路设计

第2章 

电压/频率变换器积分电路设计

图2.1 积分电路设计图

积分器：如图2-1所示，积分器采用运算放大器和RC元件构成的反向输入积分器。积分器的作用是当电路输入方波时，如果积分时间常数选择的合适，则积分电路输出为三角波，如果积分时间常数选的过小，即积分速度太快，将使积分电路输出在输入电压产生跳变前就达到了饱和值，从而使输出电压不为三角波。电源信号通过积分电路反向端，得到矩形信号。假设输入信号Vs是阶跃信号，且电容C初始电压为零，则当t≥0时

这表明输出电压vo与时间t成线性关系。

电压/频率变换器触发器  

图2.2单稳态触发器设计图 

单稳态触发器：如图2.2所示，单稳态触发器采用555元件和外接电阻R和电容C元件构成的定时网络。假设当电源

加上后置位端CUT无触发信号即在稳定状态,输出

为低电平,触发器输出电平,定时器电容C上的电压

由于555的TRI、GND脚短接,故上比较器A1的反相端和下比较器A2的同向端分别偏置在

和

处这个电位就是比较器翻转与否的门限电压值.当CUT端加进低于负向脉冲时,下比较器A2输出为高电平“1”.触发器被置位.输出为低电平.同时555的输出端（THR脚）变为高电平即

,此时,电路处于置位阶段,进入暂稳态,当CUT端的输出脉冲消失后,下比较器A2虽然输出为“0”,但触发器输出仍保持不变.故555的输出端仍为高电平“1”.而在暂稳期间,  

同点R4对电容器C2充电，当C上电压充至 

时,即上比较A1的同向端近到

时,A1输出为高电平“1”,触发器被复位,且输出变为高电平“1”,电容C上的电荷迅速放电到低电平“0”.电路又复原到稳态.          

单稳态触发器工作特点是：只有一个稳定状态，即无信号触发时，电路处于稳定状态保持电子开关导通；在外来触发脉冲作用下，可从稳定状态翻转到暂稳态，此时开关截止输出电压为

；经过一段时间后又自行回到稳定状态。在本电路中的用途是能够使电路在输出端上能得到可调的稳定矩形脉冲。

电压/频率变换器开关电路设计

图2.3开关电路设计图

电子开关：如图2.3所示，电子开关采用开关三极管接成反向器形式，当触发器的输出为高电平时，三极管饱和导通，输出近似为 0，当触发器输出为低电平时，三极管截止，输出近似等于

。

电压/频率变换器直流稳压电源设计

图2.4直流稳压电压设计图

直流稳压电源：如图2.4所示，可采用开关三极管 T，稳压二极管 Dz 等元件构成。具体电路如下所示。当

为 0 时，D4，D5截止，D2导通，所以积分电容通过二极管 放电。当

为 1 时，D4， D5导通，D2截止，输入信号对积分电容充电。在单稳态触发器的输出端得到矩形脉冲。

第3章 电压/频率转换器总体电路

总体电路及工作原理

图3.1 电压/频率变换器总体电路

如图3.1所示，将输入电压

积分。当输入电压加进时，

上电压呈线性增长，当升至

阀值电平时，555置位，输出电压上升。此时单稳的定时电容C2充电，当充至

阀值电平时，555复位。如此反复充放电，就可以将输入电压转换为一定的振荡频率。

参数的计算与选择

根据题目要求结合电路图，输入与输出关系 Vi∝f0，题目要求输入电压范围为1-10V，而输出频率要求为 1-10KHZ，所以该 VFC 电路需有 1khz/v 的换系数。输入有信 号电压 Vin 时，积分电容充电，积分器输出下降，当电压降至触发器

的触发

,555 置位，输出 高 电 平，使得积分电容通过恒流源反向充电；当电容

电压上升到 

时，又使555 复位,积分电容又开始充电，从而形成为 1000p，确定充电时间约为 0.05ms。根据所采用的恒 流源电路及参数设置以及输入振荡。因为单稳态电路的充电时间

,选取 

为 43k,

电压与输出频率的关系，可确定恒流源对积分电容反向充电时间，由于积分电路

,从而确定

，

。

电路的仿真结果

图3.2输入电压为1 伏 时

图3.3输入电压为2 伏 时

图3.4输入电压为3 伏 时

图3.5输入电压为4 伏 时

图3.6输入电压为5 伏 时

图3.7输入电压为6 伏 时

图3.8输入电压为7 伏 时

图3.9输入电压为8 伏 时

图3.10输入电压为9 伏 时

图3.11输入电压为10伏 时

第4章 课程设计总结

这次课程设计题目是电压/频率变换器。通过这次课程设计了解了更多模拟电路的知识，为今后的学习打下了坚实的基础。

在起初着手这个课设的时候，不知从何下手，觉得所学知识派不上用场，更不知如何应用到实践中来。虽然不知所措，但经过多日在图书馆的查找资料，对整体的框架有了初步的认识。其中，参数确定显得由为困难。由于知识量小，遇到了一些困难，但最终还是完成了本次课程设计。

总之，通过本次模拟电路的课程设计，受益匪浅。不但使所学的课堂上的知识得到了应用，在实践设计中学到的知识得到更好的掌握，并且掌握了一些课本上没有的知识，通过自己的学习和研究从而对电压/频率转换器结构有了深刻了解，对电子这一学科产生了更加浓厚的兴趣。通过这次设计更培养了自己的自学能力与钻研的精神。使自己的实践能力有了进一步的提高，增加了将自己所学知识更好的应用于实际的信心。

参考文献

[1] 陈永甫 编著 《新编555集成电路应用800例》 电子工业出版社，2000.1 

[2] 康华光 主编 《电子技术基础》                高等教育出版社, 2009 

[3] 陈永真 主著 《硬件电路设计精解》            电子工业出版社，2011.5

[4] 罗先觉 修订 《电路》                        高等教育出版社，2006.3

[5] 郭维林 主编 《电子技术全解》            中国水利水电出版社，2010.8

[6] 蒋黎宏 主编 《电子技术基础实验&Multisim1仿真》电子工业出版社，2010.7 

附录I 总体电路图

图5.1 整体电路图

附录II 元器件清单