南京航空航天大学
模拟电子技术课程设计报告
（频率-电压变换器）
学生姓名： 田 恬 学号： 031520302 班级： 0315203
电工电子实验中心 2017年6月
目录
第一章：设计指标 第二章：系统概述
第三章：单元电路设计与分析 第四章：电路调试过程 第五章：结束语 附件1：器件表 附件2：参考文献 附件3：总图
第一章 设计指标
试设计一个频率-电压变换器，要求：
（1）当正弦波信号的频率fi在200Hz-2kHz范围内变化时，对应输出的直流电压Vo在2-10V范围内线性变化，误差在5％左右。 （2）正弦波信号源采用函数波形发生器。 （3）采用±12V电源供电。
第二章 系统概述
一、设计思想
函数波形发生器输出的正弦波经比较器变换成方波。方波经频率变换成直流电压。直流正电压经反相器变成负电压，再与参考电压VR通过反相加法器得到符合技术要求的Vo。
二、各功能的组成
（1）本次使用741运放设计三角波发生器作为设计函数波形发生器。调节范围为200Hz-2000Hz,在调试过程中，挑选中间的几个值进行测试。 （2）电压比较器采用LM311。
（3）F/V变换采用集成块LM331构成的典型电路。通过参考书和报告上的指导书确定相关参数，测定输出的电压范围在0.2-2V。 （4）反相器采用比例为-1，通过集成芯片OP07实现。
（5）反相加法器同样用芯片OP07实现，通过调节VR的大小。使输出的电压在2-10V。
三、总体工作过程 正弦波 函数波形方波
fi=200-2oo比较器 Vo1 F/V/变换 直流 -0.2- -2V 反相器 Vo3 反相加Vo=2-5V 参考电压VR 第三章 单元电路设计与分析
一、三角波发生器
电路如图所示，它由运放A1、A2，电阻R1、R2组成的同相迟滞比较器，运放A2以及R、C构成的反相有源积分电路组成。其输出信号周期为
T4RCR2 R10.1μF
二、电压比较器
LM311是一种电压比较器，它能将一个模拟电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。
三、频率电压变换器
直接应用F/V变换器LM331,其输出与输入的脉冲信号重复频率成正比. （1）LM331内部原理图
+VCC9/10VCC7-输入比较器置“1”端sQ+s1+CLVCCRtRL-V0fi62/3VCC定时比较器5CtR+Q置“0”端T图5-1-1 此时,○1脚是输出端(恒流源输出),○6脚为输入端(输入脉冲链),○7脚接比较电平.
（2）工作波形图及工作过程
当输入负脉冲到达时,由于○6脚电平低于○7脚电平,所以S=1(高电平)，
Q=0（低电平）。此时放电管T截止，
于是Ct由Vcc经Rt充电，其上电压Vct按指数规律增大。与此同时，电流开关S使恒流源I与○1脚接通，使CL充电，VCL按线性增大（因为是恒流源对CL充电）。
经过1.1RtCt的时间，Vct增大到2/3Vcc时，则R有效（R=1，S=0），
Q =1，此时，Ct、CL放电。
以后就重复上面的过程，于是在RL上就得到一个直流电压Vo（这与电源的整流滤波原理类似），并且Vo与输入脉冲的重复频率fi成正比。
CL的平均充电电流为i×
（1.1RtCt）fi
CL的平均放电电流为Vo/RL 当CL充放电平均电流平衡时，得 Vo=I×（1.1RtCt）×fi×RL 式中I是恒流电流，I=1.90V/Rs
式中1.90V是LM331内部的基准电压（即2脚上的电压）。
Vo2.09RLRtCtfiRS
于是得
可见，当Rs、Rt、Ct、RL一定时，Vo正比于fi，显然，要使Vo与fi之间的关系保持精确、稳定，则上述元件应选用高精度、高稳定性的。
对于一定的fi，要使Vo为一定植，可调节Rs的大小。恒流源电流I允许在10~500μA范围内调节，故Rs可在190kΩ~3.8 kΩ范围内调节。一般Rs在10kΩ左右取用。
(3)LM331用作FVC的电路如图
+VCC10K10K87LM3315Rt6.8KRX0.01fi470p2412K{RS22K3110+100K6lo图5-1-3
RxVCC2 0.2mA在此，Vcc=12V
所以Rx=50kΩ，取Rx=51 kΩ
Vo2.09RLRtCtfiRS
取Rs=14.2 kΩ 则 Vo=fi×10–3V
表1 Vo和fi的关系
fi(Hz) Vo(V) 200 0.2 650 0.65 1100 1.1 1550 1.55 2000 2.0
四、反相器与反相加法器 （1）反相器
反相器的电路如图所示。
+VCCR551kRL2VCC100k-VEER4100k-3+Vi1 因为都是直接耦合，为减小失调电压对输出电压的影响，所以运算放大器采用低失调运
6Vo17OP074放OP07。
由于LM331的负载电阻RL=100kΩ，所以反相器的输入电阻应为100 kΩ，因而取RL=100。反相器的Au=-1，所以R4=RL=100 kΩ，平衡电阻
图5-1-6R5=RL//R4=50 kΩ 取R5=51 kΩ。 （2）反相加法器
反相加法器电路如图所示。
+VCCR113R6Vo32OP07476Vo
R10RVo310VR R6R9-3
Vo-VEER9VRR10已知Vo3= -Vo2= -fi×10V
R10Rfi10310VRR6R9图5-1-7Vo
技术要求
fi=200Hz时，Vo=2V fi=2000Hz时，Vo=10V
f10Vo(i)V9225
即 （2）
对照⑴式和⑵式，可见应有 R1010VRV R995若取R10=40kΩ，R9=20 kΩ，则VR= -V
9R10ffi103i R6225∴R6=9kΩ，用两个18 kΩ电阻并联获得。
平衡电阻R11≈R11//R6//R9=5.4kΩ。
-12V参考电压VR可用电阻网络从-12V电源电压分压获取，如图所示。
10kRW215kR7VRR81kR920k图5-1-8VRRW2R8//R95R7(R8//R9)9
若取 R8=1kΩ，则R8//R9=0.952 kΩ Rw2+R7=19.6 kΩ 取 R7= 18 kΩ Rw2用10 kΩ电位器。
第四章 电路调试过程
一、测量与调整
（1）观察电路图中Vil、Vo1、Vi2以及LM331第五脚的波形。可在200Hz~2kHz内的任一频率上观察。
（2）Vi1应为直流电平≈0，幅度≈0.22VCC的正弦波。 Vo1应为单极性的正方波，幅度≈VCC。 Vi2应为直流电平≈VCC的正负脉冲。
Vo2应为正直流电压，Vo3应为负直流电压，Vo应为正直流电压。 将函数波形发生器的输出信号频率fi调到200Hz。此时 Vo2=0.2V。否则调整Rw1。 Vo3= -0.2V。否则调整R4。 VR应= -5/9V。否则调整Rw2。
Vo应=1V。否则分别检查VR、Vo3产生的输入。
VR产生的输出应为-VR。否则调整R9。 Vo3产生的输出应为-4/9V，否则调整R6。
固定电阻的调整可用一个接近要求值的电阻和一个小阻值的电阻串联来实现。 根据表1中的频率点，测出对应的Vo，应基本符合表中的值。 表 Vo和fi的 关系
fi(Hz) 理论Vo2(V) 200 0.2 650 0.65 1100 1.11 1550 1.55 2000 2 Vo2(V)/误差 0.203/1.5% 0.657/1.0% 1.102/0.2% 1.547/-0.2% 1.984/-0.8% Vo3(V) VR(V) 理论Vo(V) 实际Vo(V) 误差 -0.204 -0.537 2 1.968 -1.0% -0.657 -0.537 4 3.965 -0.9% -1.117 -0.537 6 5.992 -0.1% -1.562 -0.537 8 7.938 -0.8% -2.007 -0.537 10 9.901 -1.0% 二、问题及解决措施
（1）电压比较器输出的方波波形走形。
原因：可能存在元件接触不良，部分电容短路的情况。
解决：替换了三角波发生器中的部分电容及老化导线，重新接入元件。 结果：波形输出正常，没有再出现边缘曲化情况。
（2）Vo2的测量电压始终无法全部达到误差要求，找不出固定的Rs值。 原因：调节输出频率的方法错误。通过调节滑动电阻器具体阻值进行调节，读阻值的方法错误，实际输出的频率并不是所要求的频率。
解决：将示波器接到比较器的输出端，调节滑动电阻，通过观察示波器上频率变化确定所需频率。
结果：获得了正确的频率，误差成功稳定在要求范围内。
第五章 总结语
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关低频电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事。
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等。
完成课程设计的过程即是从理论到实践，在实验室里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知
识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正掌握知识和技能。
实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
器件表
1、仪器
双踪示波器 1台 直流稳压电源 1台 万用表 1只
2、元器件
μA741 3只 LM311 1只 LM331 1只 OP07 2只 滑动变阻器 3只 电阻、电容、导线 若干
参考文献
电子线路设计与应用（第二版）
高等教育出版社
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