电压频率的转换

模拟电路课程设计

电压——频率转换电路

教学学院： 物理与电子信息学院 专 业： 10电气技术教育 学 号： 姓 名： 杨球 指导教师： 刘玲丽 完成日期：

设计一个电压/频率转换电路

一、设计任务与要求

①将输入的直流电压（10组以上正电压）转换成与之对应的频率信号。 ②用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。

（提示：用锯齿波的频率与滞回比较器的电压存在一一对应关系，从而得到不同的频率.）

二、方案设计与论证

1 电源部分．

直流稳压电源一般由电源变压器，整流电路，滤波电路及稳压电路所组成。变压器把电网高压交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电源。

1）．直流稳压电源设计思路

（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须

采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。

（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。

（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。 2）．直流稳压电源原理

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，其中：

（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要

的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。 （2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电压，常用的整流滤波电路有全波整流、桥式整流，此处用的是桥式整流电路。

（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。 一般由直流电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下：

即：

2．功能部分

电压/频率转换电路设计方案

利用物理量通过传感器转换成电信号，经预处理变换为合适的电压信号，然后去控制压控震荡器电路，再用压控震荡电路的输出驱动计数器，使之在一定时间间隔内记录矩形波。总的流程如下图所示：

具体的方案有两个：

方案一：电荷平衡式压控电路（锯齿波发生电路演变为电压器-频率转换电路） 如图一所示，利用积分器和滞回比较器组成的电荷平衡式电压——频率转换电路，U01输出锯齿波，U0输出矩形波，由矩形波的频率的变化，反映频率随电

压的变化情况，用锯齿波的频率与滞回比较器的电压存在一一对应关系，从而得到不同的频率，即实现电压控制频率。

（图一）

方案二：复位式压控电路

原理框图如图二所示，电路由积分器与单限比较器组成，以Uref为参考，Uo1过其，则输出就越变为低，C放电，继而又变回原状态，循环往复进行。

（图二）

方案一与方案二相比较可知，方案二中，输出显示的频率不仅决定于Ui还与Uref有关，且电路图更麻烦，需要的元件更多，焊接电路更麻烦，且误差较大，效果不够好…相对方案一而言，操作起来更复杂，且方案一的电路，满刻度输出频率高，线性误差小，精确度高。 由以上比较可知，相比之下，采用方案一更好。

三. 单元电路设计与参数计算

1.电源部分

（1）整流电路

（1）工作原理

1.当 u2 >0时，电流由+流出，经 D1、RL、D2流入-。 2.当 u2

这样，由于D1，D3和D2，D4两对二极管交替导通，致使负载电阻Rl在整个周期内都有电流通过。

（2）输出电压平均值 UO(AV) 和输出电流的平均值IO(AV)

（3）脉动系数

（4）二极管的选择

每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。

UO(AV)

1





2U2sintd(t)

22

U20.9U2

UO（AV）0.9U2

IO（AV）＝

RLRL

244

uO2U2(cos2tcos4t)

315

42

U2

2

0.67

322U2

S

UO1mUO(AV)

IO（AV）0.45U2

ID（AV）＝

二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压

URmax2U2

对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。

1.1IO（AV）2U2

IF＝1.1

2RL

UR1.12U

2

2滤波电路

滤波电容容量较大，一般采用电解电容器。

电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。 （1）滤波原理

以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。

RL接入（且RLC较大）时 (忽略整流电路内阻

)

当u2上升，u2大于电容上的电压uc，u2对电容充电，uo= uc u2时间常数 = (RL // Rint ) C（小）

当u2下降u2小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。电容C通过RL放电， uc按指数规律下降，时间常数 = RL C 放电时间常数远远大于充电时间常数，

滤波效果取决于放电，其值愈大，滤波效果愈好，即，电容愈大，负载电阻愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大。 （2）输出电压平均值

当负载开路时 当RLC＝（3~5)T/2时

UO（AV）＝

UOmax＋UOminT

2U2(1)24RLC

UO(AV)2U2

UO（AV）1.2U2

2

考虑电网电压波动，电容的耐压值应满足RC=（3~5）T /2即，应大于 1.U（3）脉动系数 S

UO1m1

S

UO(AV)4RLC1



3稳压二极管稳压电路

整流滤波电路输出电压不稳定的主要原因： ·负载变化； ·电网电压波动。 （1）利用三端稳压来构成稳压电路的

若输出电压较高，接一保护二极管 D，以保护集成稳压器内部的调整管。 LM7812和LM7912的输出电压分别了正负12伏

图中C2和C3是用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小一般小于1微法

图中电容C4和C5是用于消除输出电压中高频噪声，可取小于1微法的电容，也可以去几微法或几十微法的电容，一边输出较大的脉冲电流

2

功能部分

1、电路的构成及工作原理

我们知道积分电路输出电压变化的速率与输入电压的大小成正比，如果积分电容充电使输出电压达到一定程度后，设法使它迅速放电，然后输入电压再给它充电，如此周而复始，产生振荡，其振荡频率与输入电压成正比。即压控振荡器。图15-1就是实现上述意图的压控振荡器(它的输入电压Ui＞0)。

图1所示电路中A1是积分电路，A2是同相输入滞回比较器，它起开关作用。当它的输出电压u01=+UZ时，二极管D截止，输入电压（Ui＞0），经电阻R1向电容C充电，输出电压uo逐渐下降，当u0下降到零再继续下降使滞回比较器A2同相输入端电位略低于零，uO1由+UZ跳变为－UZ，二极管D由截止变导通，电容C放电，由于放电回路的等效电阻比R1小得多，因此放电很快，uO迅速上升，使A2的u+很快上升到大于零，uO1很快从－UZ跳回到+UZ，二极管又截止，输入电压经R1再向电容充电。如此周而复始，产生振荡。

2、振荡频率与输入电压的函数关系

可见振荡频率与输入电压成正比。

上述电路实际上就是一个方波、锯齿波发生电路，只不过这里是通过改变输入电压Ui的大小来改变输出波形频率，从而将电压参量转换成频率参量。 为了使用方便，一些厂家将压控振荡器做成模块，有的压控振荡器模块输出信号的频率与输入电压幅值的非线性误差小于0.02%，但振荡频率较低，

一般在100Kz以下。

图1 压控振荡器实验电路

图2所示为压控振荡器uO和uO1的波形图。

图2 压控振荡器波形图

四、 总原理图及元器件清单

1.总原理图

直流电源部分

功能部分电路图

双踪示波器、万用表（模拟或数字）、交流毫伏表各一台，自制电路板的各种工具一套及元器件若干。

2．元件清单

五、安装与调试

1电源部分

（1） 安装

首先应在变压器的原边接入保险丝，以防电路短路或电流过大烧坏变压器或其他器件，其额定电流要大于IOMAX，选择保险丝熔断电流为1A。先装集成稳压电路，再装整流滤波电路，最后装变压器。安装一级测试一级。对于稳压电路则测试集成稳压器是否能正常工作。其输入端加直流电压U12V,调节电阻R，输出电压U随之变化，说明稳压电路正常工作。整流滤波电路主要是检查整流二极管是否接反，安装前用万用表测量其正，反向电阻。接入电源变压器，整流输出电压应为正。断开交流电源，将整流滤波与稳压电路相连接，再接通电源，输出电压为规定值，说明电路正常工作，再将电源部分与功能部分相连接，这样就可以进行各项性能指标的测试。

（2）调试

焊接好电路到实验室进行调试，初次调试发现发光二极管都能亮，且能稳定+12V，但是负极输出电压却为-20V检查电路发现LM7912的 接地线脱焊。重新焊好后，功能测试正常。但因为焊接线的外层表皮全部去除了，出现了输入输出发生了短路，造成两个稳压集成块发热的问题，经改正后。功能测试较好。较为满意，虽然输出电压与理论值在一定的误差，但是在误差范围内，符合实验条件，则电源调试完毕。

2功能部分

（1） 安装：按电路图买好所需要的元件，合理排版。

（2） 按照电路原理图焊接电路板，在焊接的过程中需仔细认真，不要焊错部位

以及避免存在虚焊的部位，在确认电路板按原理图正确焊接后到实验室进行调试

（2）调试

在实验室按要求接好电路，调试的时候，发现输出的波形并不理想，存在较大的失真。在自己分析无果的情况下，请教老师。经老师指导，发现在本实验中一定要存在个可调的电阻，而不应该使用固定电阻。并且使用的R3值偏小。因此，将R3换成了100K的电位器。更换后，再次测试时，发现波形有明显变化，变得很标准。在测试数据的时候，却发现与理论存在较大的误差。分析原因，开始发现所选择的稳压管不合适，因为输入电压都只有12V,经串联一电阻后，输出电压不可能有12V.可是当更换了一6.2V的稳压管后，发现误差仍然很大，最后发现，是R3的阻值调的过大。最后将R3调小后，收到了较好的效果。调试完成。

六、性能测试与分析

1实验测得数据

（1） 电源部分:变压器副边电压：30.8V

LM7812：输入电压： 20.5V

输出电压： 12.0V

电压差： 8.3V

LM7912：输入电压： -20.4V

输出电压： -11.8V

电压差： -8.5V

(2) 功能部分：

2误差分析：

1）.测量数据时人为的偶然误差。

2 ）测量仪器本身的不可避免的误差。

3 ）焊接电路时焊点处有电阻被忽略，连接的线路也有电阻。

4 ）试验时间过长温度发生变化，使得一些元件的电阻发生变化

5 ）稳压块和运放块不是理想的集成块，都存在一定的误差。

6 ）实验所选择的参数未达到最理想的状态，且实验所使用的元件都存在一定误差。

7 ）由于电源部分稳-12V的电压存在一些误差，造成了功能部分的误差。

产生误差的原因有以下几个方面：

1）电路的焊接不是很到位，给实验造成了一定误差。

2）实验器件本身不够精确，造成实验值与理论值有差别。

3）信号发生器的示数跳动，引起读数有误差。

4）实验者本身存在实验误差。

3误差计算

1） 电源部分：副边电压的误差 （30.8-30）/30*100%=2.7%

LM7812的输出电压：(12.0-12)/12*100%=0

LM7912的输出电压：|11.8-12|/12*100%=1.7%

2) 功能部分：

以频率和电压成比列来计算实验数据的误差。

U=5V,f=764.12Hz

U=5.5V,f=856.34Hz 误差 （856.34-1.1*764.12）/840.53*100%=1.9%

U=6.0V,f=923.68Hz 误差 （923.68-1.2*764.12）/1.2*764.12*100%=2.3% U=6.5V,f=991.00Hz 误差 （991.00-1.3*764.12）/1.3*764.12*/100%=1.9% U=7.0V,f=1060.5Hz 误差 （1060.5-1.4*764.12）/764.12*1.4*100%=1.3% U=7.5V,f=1099.5Hz 误差 （1099.5-1.5*764.12）/1.5*764.12*100%=3.0% U=8.0V,f=1172.5Hz 误差 （1172.5-1.6*764.12）/1.6*764.12*100%=2.7% U=8.5V,f=1233.0Hz 误差 （1283.8-1.7*764.12）/1.7*764.12*100%=3.3% U=9.0V,f=1283.8Hz 误差 （1283.8-1.8*764.12）/1.8*764.12*100%=5.3% U=10.0V,f=1375.7Hz 误差 （1375.7-2*764.12）/2*764.12*100%=10.0%

七、结论与心得

这次的课程设计，我完成的还是比较顺利的。当然遇到的问题还是不少的，首先是电源的问题，由于脱焊导致负输出电压与实际相差太大。经改正后，问题得到解决。然后就是碰到了短路的问题，自己多注意点就没什么问题了。最后在功能部分上经过及时的询问老师，改掉电阻后，问题也得到解决。

通过这次设计，一方面，我看到了团结协作的力量；另一方面，深刻体会，实践能更好的帮助我们理解巩固知识。平时所学的课本上的理论知识，直接运用到实践上，还是有一定的差距的。只有在认真学好课本上的理论知识，才能正确的引用并付诸实践。也让我学到了将理论知识和实践相结合的重要性。没有付诸实践，理论知识学得再好，也是徒然。所以这次课程设计对我个人的意义还是很大的。希望以后还能有这样的机会。

当然，设计顺利完成，要感谢老师的细心指导和不厌其烦的解答问题和帮助！

参考文献

1、《电工电子实践指导》（第二版），王港元主编，江西科学技术出版社（2005）

2、《电子线路设计、实验、测试》（第二版），谢自美主编，华中理工大学出版社（2000）

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4、《555集成电路实用大全》，郝鸿安等主编，上海科学普及出版社

5、《电子技术基础实验研究与设计》，陈兆仁主编，电子工业出版社（2000）

6、《毕满清主编，电子技术实验与课程设计》， 机械工业出版社。

7、《用万用表检测电子元器件》，杜龙林编，辽宁科学技术出版社（2001）

8、《新型集成电路的应用》，梁宗善，华中理工大学出版社（2001）

9、《新颖实用电子设计与制作》，杨振江等编，西安电子科大出版社（2000）。