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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

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）

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：

由图（b）可见:

当UI<

UT时,输出U0为高电平

当UI>

UT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-VL2-3-2

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，

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

=

3-6-3

使Vmax转换到Vomin，必须Vi≥V+’才行，所以上门限电位为

VH=

=

3-6-4

同理，下门限为

VL=

=

3-6-5

所以门限宽为

△V=

3-6-6

而图3-6-2（b）电路的三个参数为

3-6-7

VH=

3-6-8

△V=

3-6-9

（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：

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

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

电阻：

R1=5kΩ，R2=R3=R4=R5=R9=5kΩ，R6=R8=1kΩ

滑动变阻器：

10K

稳压二极管：

4.3v稳压二极管——此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。

运算放大器：

uA741——此运算放大器工作电压±

22V,差分电压±

30V,输入电压±

18V,允许功耗500mW，是一种高增益放大器。

可以用于A1和A2

4.系统的整体评价

4.1方案的优缺点

复位式电压频率转换器在其结构上较为简单，但是其精确度不高。

究其缘由，可以得知其主要原因是由于开关（三极管）总是存在一定的导通电阻，因此电容C放电具有一定的时间，而电压比较器的动作十分的灵敏，一般同相与反相端之间差2mv左右既可以动作，若比较器动作较快，则电容电压刚到一定值时（即电容放电还没有到零）比较器已经翻转，开关重新断开，积分器开始积分，这样积分的初始值很难确定，固影响了该电压频率转换器的精确度。

4.2电路的特点

根据电路图可以看出，该电路对于外部电压源的要求并不是很高，相比较电荷平衡式的设计方案来说，在电路结构上极大的简化电路的同时放松了对于元件的要求，在实验室里容易得到比较广泛的应用。

同时利用晶体三极管作为电子开关是在模电的实际设计过程中所常用的。

但是由于电路在外部条件上要求得并不是十分的严格，并且电子开关具有其缺点，使得电路在精确度上并不是十分的高。

4.3实验的创新点

根据设计图可以看出，在实际的设计中可以通过控制滑动变阻来改变UREF的值，而根据公式f=UI/（RCUREF）可知，通过控制UREF又可以控制输出的频率，根据这一特点可以看出，在实际的操作中为了改变输出的频率的范围就不仅仅可以利用改变R1来实现，只需调动滑动变阻器就可以实现，从而增强了系统的灵活性，在实际的操作中减少了操作的复杂度。

5关于课程设计

5.1课题的核心价值

采用电压频率（V/F）转换器以频率形式传输模拟信号是远距离传输模拟信号而又不损失精度的最好解决方法，同时电压/频率的转化过程在实际的单片机中有着广泛的应用。

而通过本次课程设计我们加深了对于电压频率转化原理的理解同时通过查阅相关的资料，比较两种转换方法的各自的特点，我们对于两种常用的电压/频率转化电路有了升入的理解。

相信本次课程设计对于我们以后的毕业设计一定会有十分生深远的影响。

5.2课题的实用价值

本次课程设计在进一步巩固了我们在模电中学习的理论知识的同时，同时使得我们对于在通信，仪表和航天中常用的技术有了进一步的理解，同时通过自己的不断的探索，我们对于电子技术方面的技术有了进一步的兴趣。

同时我们通过参考相关的电路图使得对于实际的应用方面的知识有了进一步了解，这样也就在很大程度上激发了我们应用于实际的兴趣，对于我们以后进一步学习专业知识有着十分巨大的促进作用。

6心得体会

本学们开设期我了《线性电子线路》，在理论方面的给了我们以指示。

然后在本暨模电学完之际，紧接着开设了很及时、很必要的电子电路课程设计课程。

这样不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。

总的来说，这个设计虽然不及毕业设计繁杂，但是它却是我们第一次自己发挥创造能力搞设计，所以说这次设计在很大意义上给了我们启示。

课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，整个白天都呆在图书馆翻看关于电路设计的相关的书籍，看着那纷繁复杂的电路真得是哭笑不得，这才领悟到了古人所说的“书到用行时方恨少”的真谛，同时设计的时候不断的重拾线性电子线路的教材与实验手册，这才意识到了自己平时学习的盲目性，对于与实际生活中应用相关的知识并不是掌握的很多。

在设计的过程中，我进一步巩固了对于积分电路.电压比较器的了解，并且通过查阅相关的资料我进一步掌握了两种电路的实际作用以及设计过程中的注意事项。

当初没有思路，诚如举步维艰，不知何处立足。

在对理论知识梳理掌握之后顿有茅塞顿开之感，看到那复杂的电路图可以读懂电路图，并且对于电路的特性以及电路的原件选择有了进一步的了解。

然后面临的就是在设计的方法上的选择，开始的时候我们尝试着使用电荷平衡式电压/频率转换器模型，然后感觉对于这一电路模型过于复杂，最后决定了使用复位式电压频率转换电路的设计方案，

时至今日，课程设计基本告成，才切身领悟设计并不是一件易事，同时也从自己的设计经历中明晓实践出真知的道理。

因为在教材上，积分器和迟滞比较器是比较独立的，对于在实际老师的教学的过程中对于其联系起来的应用由于课时的原因也没有仔细评讲，给我们在设计过程中自己不断探索留下了充分的契机，同时也让我们体会到了自己探索所带来的乐趣。

“创新”目前在我国已经提升到国家发展战略地位，足见“创新”的举足轻重。

而本次的课程设计恰恰给我们提供了锻炼自己创新能力的机会，我们在设计的过程中从小处着手，顺应时代发展潮流，在课程设计中不忘在小处创新，不断磨练了自己的创新能力，虽然直到现在还有很多的问题没有解决，但是在设计的过程中我们还是充分的应用了自己的创新能力解决了很多的实际的问题。

这是第一次给我们进行设计的机会，看到很多设计中的问题被自己逐一解决，成就感可想而知，只是十分希望学校能够多给我们磨练自己的机会。

对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。

让我知道了学无止境的道理。

我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。

挫折是一份财富，经历是一份拥有。

这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

7.参考文献

1）《电子线路（线形部分）》第四版，谢嘉奎主编，北京：

高等教育出版社1999

2）《模拟电子技术基础》第三版，童诗白、华成英主编，北京：

高等教育出版社2001

3）《新型电子电路应用实例》，何希才编著，科学技术出版社2005年8月第一版

4）《电子技术课程设计指导》，彭介华主编，北京：

高等教育出版社，1997

5）《电子电路实验及应用课题设计》，卢结成、高世忻等编，合肥：

中国科学技术大学出版社2002