单元六频率变换电路课题：
单元六6.1频率变换的基本概念与信号的表示
6.2模拟乘法器及其典型应用
教学目的：
1. 理解频率变换的基本概念与信号的表示
2. 掌握模拟乘法器及其典型应用
教学重点：
1.频率变换的基本概念与信号的表示（频谱）
2.模拟乘法器及其典型应用
教学难点：
模拟乘法器应用电路的分析方法
教学方法：
讲授
课时：
2学时
教学进程
单元六 频率变换电路
在通信和电子技术中，频率（或频谱）变换是很重要的概念。本章先简单介绍频率变换的基本概念，接着讨论实现频率变换的最重要的器件——集成模拟乘法器及其简单的应用，最后分析频谱搬移实现原理。
6.1 频率变换的基本概念与信号的表示
一. 信号的频谱 1．信号的频谱
是指组成信号的各个频率正弦分量按频率的分布情况，即用频率f （或角频率ω）作为横坐标、用组成这个信号的各个频率正弦分量的振幅Um 作为纵坐标作图，就可以得到该信号的频谱图，简称频谱。
2．用频谱表示信号的优点：
可以更直观地了解信号的频率组成和特点，例如信号的频带宽度（带宽）等。 3．一个信号的表示方法：一是写出它的数学表达式；（时域） 二是画出它的波形；（时域）
三是画出它的频谱。（频域）
这三种表示方法在本质上是相同的，故可由其中一种表示方法得到其他两种表示方法。数学表达式表示信号既清楚又准确，波形和频谱表示信号比较直观。但对于某些复杂的信号或无规律的信号，要写出它的数学表达式或画出它的波形很困难，这时用频谱来表示这种信号既容易、又方便。因此用信号的频谱可以表示任何一种信号。 下面举几个例子来理解它们之间的相互转换关系。
[例6-1]某电压信号的数学表达式为)(sin 3)(0V t t u ω=，试画出它的波形和频谱。 解： 这是一个单一频率的正弦信号，其频率πω2/00=f ，其波形如图6-1（a ）所示。由于振幅Um=3V ，故其频谱如图6-1（b ）所示。
[例6-2] 某电压信号的频谱如图6-2（a ）所示，试求它的数学表达式，并画出它的波形（设F fc >>）。
解 设2c c f ωπ=，2F πΩ=，由图6-2（a ）可以得到该电压信号的数学表达式
()4cos cos()cos()c c c u t t t t ωωω=+-Ω++Ω （注：式中每项也可写正弦形式） 4cos 2cos cos c c t t t ωω=+Ω 4(10.5cos )cos ()c t t V ω=+Ω
由上述的数学表达式可画出)(t u 的波形，如图6-2（b ）所示，图中虚线为)(t u 的包络。
[例 6-3]一周期性方波（矩形脉冲）的波形如图6-3（a ）所示，写出相应的数学表达式，并画出它的频谱。
解 图6-3（a ）所示波形的数学表达式为
为了画出它的频谱，需应用傅立叶级数的理论把上述分段函数式展开成幂级数的形式，
+++++++
+
=t n n t t t t u 0000)12sin()12(45sin 543sin 34sin 4
1)(ωπ
ωπωπωπ
式中，T
f π
πω2200=
=。按上式可画出相应的频谱，如图6-3（b ）所示，其中直流分量 对应ω=0的那条谱线。由于)(t u 有无限多项，因此谱线也有无限多条（图中只画出六条谱线）。但随着f 的升高，谱线的长度迅速减小。
小结：本节重点是信号的频谱。画频谱时应先写出信号的数学表达式，然后把它展开，若展开式中有n 项不同频率，不同振幅的正弦分量相叠加，则频谱中的谱线就有n 条。
二．频率变换 1．频率变换
又称为频谱变换。所谓频率变换，是指输出信号的频率与输入信号的频率不同，而且满足一定的变换关系。
从频谱的角度来看，调制是把低频的调制信号频谱变换为高频的已调波频谱； 解调恰与调制相反，它把高频的已调波频谱变换为低频的调制信号频谱； 变频则把高频的已调波频谱变换为中频的已调波频谱。 因此，调制、解调和变频电路都属于频谱变换电路。 2.频率变换电路的分类： （1）频谱搬移电路
即将输入信号频谱沿频率轴进行不失真的搬移，搬移前后各频率分量的相对大小和相互间隔（即频谱内部结构）保持不变。
包括调幅、检波和变频电路。 （2）频谱非线性变换电路
即将输入信号频谱进行特定的非线性变换电路。 包括调频和鉴频、调相和鉴相电路等。 3.频率变换电路的一般组成模型：
图中的非线性器件可以采用二、三极管、场效应管、差分对管以及模拟乘法器等。滤波器起着滤除通带以外频率分量有作用，只有落在通带范围的频率分量才会产生输出电压。
6.2模拟乘法器及其典型应用
一．模拟乘法器
随着集成技术的发展和应用的日益广泛，集成模拟乘法器已成为继集成运放后最通用的模拟集成电路之一，本节将对模拟乘法器的基本概念和应用进行简单的讨论。
1.模拟乘法器
是一种实现两个模拟信号相乘的电路，其符号如图6-4所示。
由图可以看出，模拟乘法器有两个输入端X、Y和一个输出端Z 。若输入信号分别
用ux、u
Y 表示，输出信号用uo表示，则uo与ux、u
Y
乘积成正比，
即
0M X Y
u K u u
(6-1)
式中，K
M
为比例系数，称为模拟乘法器的相乘增益,其量纲为V-1。
2. 模拟乘法器的分类：
(1)单象限乘法器
要求两个输入电压均为单极性（二者分别为某一极性）的乘法器。
(2)二象限乘法器
只要求一个输入电压为单极性，而允许另一个输入电压的极性可正可负的乘法器。
(3)四象限乘法器
两个输入电压的极性可正可负的乘法器。
在一般情况下,乘法器是一个典型的非线性器件，可以实现多种频谱搬移电路。它的线性特性只是非线性本质的一种特殊情况。
3. 模拟乘法器的实现方法： (1)霍尔效应法 (2)1/4平方差法 (3)三角波平均法 (4)对数和一反对数法 (5)可变跨导法等
最易于用集成技术实现的是后两种方法。
目前单片集成模拟乘法器几乎都是采用可变跨导法制作的。 4. 模拟乘法器的性能指标：
（可变跨导型）可变跨导型的模拟乘法器主要也是由差动放大器等构成的，因此它的性能指标有些与集成运放类似，例如输入偏置电流I IBX 和I IBY 、输入失调电流I IoX 和I IoY 、共模抑制比K CMR 、输出失调电流（或输出不平衡电流）I oo 、输出失调电压U oo 等。此外，模拟乘法器还有反映相乘功能的指标，主要有：
(1)运算精度E R （又称为线性精度，是反映运算误差的一个参数）
运算精度：若乘法器的各种失调均调零，在两个输入端所加电压ux 、u Y 的绝对值为最大允许值时，实际输出电压u O ＇与理想输出电压u O 的最大相对误差，常用百分数表示，即
'100%o o
R o
u u E u -=? (6-2)
式中，理想输出电压指按式（6-1）计算出来的电压值。由于ux 、u Y 各有正负两种极性，因此输入共有4种情况，则其相对误差就有4个值，E R 是这4个值中的最大者。
(2)X 通道馈通抑制度CFT 和Y 通道馈通抑制度SFT
若模拟乘法器的某一输入电压为零而另一输入电压不为零，其输出电压u O 应为零。实际上，此时乘法器的输出电压并不完全为零，即有一部分输入电压泄漏到输出端，这就是馈通电压，它有X 通道馈通电压 U FX 和Y 通道馈通电压U FY 两种，馈通电压的存在，使乘法器的输出产生了误差。馈通抑制度是衡量乘法器误差大小的指标。
载漏抑制度：X 通道馈通抑制度CFT ，当u Y =0时而X 输入端加幅度为U xm 的正弦电压时，如果输出电压的幅度为U om1，则载漏抑制度
1
20lg
()xm
om U CFT dB U = （6-3）
信漏抑制度：Y 通道馈通抑制度SFT ，当u X =0时而Y 输入端加幅度为U ym 的正弦电压时，如果输出电压的幅度为U om2，则信漏抑制度
2
20lg
()ym om U SFT dB U = （6-4）
CFT 和SFT 越大越好。
二. 模拟乘法器的应用
集成模拟乘法器的应用十分广泛，除了组成各种频率变换电路外（调幅、检波、变频、鉴相等），还能组成各种模拟运算、压控增益和整流等电路（本节主要讨论该类电路）。最基本的模拟运算电路是乘法电路，在此基础上还有其它运算电路。
1.乘方器
利用模拟乘法器很容易组成各种乘方运算电路，如果将同一输入电压加到乘法器的两个输入端，如图6-5所示，则实现了平方运算。
由（a ）得20M I u K u =为平方电路。
若采用两个乘法器，便可构成立方电路。如图（b ）得3012M M I u K K u = 2.正弦波倍数频器
若平方器的输入电压是正弦信号，即sin I im u U t ω= 则平方器输出电压222011
(sin )cos 222
M im M im M im u K U t K U K U t ωω==
- 如果在平方器的输出端接一个隔直电容，则输出电压：t U K u im M o ω2cos 2
1'2
-=
实现了正弦信号的二倍频。
3.除法器
除法运算电路由模拟乘法器和运放组成，如图6-6所示，乘法器置于运放的负反馈支路中。
解 在运放为负反馈的条件下，利用“虚地” 有1
11I u i R =
, Z F f u i R -= “虚断” 有11I Z F f
u u
i i R -==1 即 R
而02Z M I u K u u =则02
1M I I f
K u u u R -=
1
R 可得1
012
1f I M I R u u K R u =- 实现了反相除法运算。
该电路的工作条件是u I2必须为正极性信号（K M ＞0），才能给运放引入负反馈，保证其工作在线性运算状态。
4.开方电路
利用除法运算电路可实现开平方运算。把图6-6中乘法器的两个输入端都接至运放的输出端，如图6-7所示，便成为开平方电路。
当R 1=R f 时，若忽略二极管V 很小的管压降，由图6-7得到0u =该电路的工作条件是u I 必须为负极性信号（K M ＞0），才能给运放引入负反馈，保证其工作在线性运算状态。加二极管是为了避免当u I 变为正极性信号（受干扰等）时电路被锁定现象。
如果在运放的反馈去路中串联多个乘法器就可以得到开高次方的运算电路。如下图6-8利用两个乘法器可组成开立方电路。
当R 1=R f 时，02M u = 5.压控增益电路
若模拟乘法器的一个输入端接直流控制电压U C ，另一个输入端接输入信号u i ，则输出电压 0M c i u K U u = 可知，此时乘法器相当于一个电压u M c A K U =的放大器，A u 与控制电压U c 成正比，即可用电压的大小控制增益的大小，因此是压控增益放大器。
图6-6所示的除法器也可用作压控增益放大器。由除法器公式知，若u I1=u i ，u I2=U c ，则
01
i M c
u u K U =-
该除法器可看作是输入信号为u i 、电压增益1/u M c A K U =-的压控增益放大器。 此外，模拟乘法器和运放结合可构成整流等电路。留作思考题。
本课小结：
1.信号的数学表达式、波形、频谱三种表示方法之间的相互转换；其中用频
谱可以表示任何一种信号。
2.频率变换电路的基本概念是指输出信号的频率与输入信号的频率不同，而
且满足一定的变换关系。分为频谱搬移电路和频谱的非线性变换。
一般由非线性器件和滤波器组成。
3.模拟乘法器的基本概念是一种实现两个模拟信号相乘的电路。分为单象限
乘法器、二象限乘法器、四象限乘法器。实现方法有霍尔效应法、1/4平
方差法、三角波平均法、对数和一反对数法和变跨导法等。性能指标有运
算精度X通道馈通抑制度CFT和Y通道馈通抑制度SFT等。
4.模拟乘法器的典型应用主要有组成各种频率变换电路、各种模拟运算、压
控增益和整流等电路。
本课作业：
1.已知一信号的数学表达式为U(t)=2(1+cosΩt)cosωt (ω=5Ω),试画出
它的频谱图。
2.写出下面电路的输出电压表达式。
课题：单元六频率变换电路基础
单元六6.3频谱搬移的实现原理
教学目的：
1.理解非线性元器件(二极管、三极管)的特性描述
2.理解用非线性器件实现频谱搬移的工作原理
（相乘作用实现频谱搬移）
教学重点：
模拟乘法器和二极管、三极管等非线性元器件的频谱搬移实现原理 教学难点：
非线性元器件(二极管、三极管)的特性描述及频谱搬移实现原理 教学方法：
讲授 课 时：
2学时 教学进程
单元六 频率变换电路基础 6.3 频谱搬移的实现原理
频率变换电路（如频谱搬移）必须通过非线性器件的相乘作用才能实现。常用的非线性器件是模拟乘法器，本节先介绍用模拟乘法器组成的非线性电路实现频谱搬移的原理，再分析一般非线性器件（如二、三极管）的相乘作用实现频谱搬移。
一. 模拟乘法器实现频谱搬移的原理
图6-9为模拟乘法器组成的频率变换电路，其中输入信号t U t u c cm c ωcos )(=和)(t u I ，输
出为)(0t u 。设11-=V K M ，V U cm 1=， 则 t t u t U t u t u t u t u c I c cm I c I ωωcos )(cos )()()()(0===
1．若)(t u I 为单频信号，即t U t u I im I ωcos )(1=
设c I ωω<，则t U t U t t U t u I c im I c im c I im )cos(2
1
)cos(21cos cos )(1110ωωωωωω++-==
根据以上式子可画出输入、输出信号的频谱图，如下：
若采用负频率，即t U t U t u I c im c I im )cos(2
1
)cos(21)(110ωωωω++-=，则频谱如下
2．若)(t u I 为多频信号，即1122()cos cos cos I im im imn n u t U t U t U t ωωω=+++ 设c n ωωωω<<< 21则
01122()(cos cos cos )cos im im imn n c u t U t U t U t t ωωωω=+++
+-++-+-=t U t U t U n c imn c im c im )cos(21
)cos(21)cos(212211ωωωωωω t U t U t U n c imn c im c im )cos(2
1
)cos(21)cos(212211ωωωωωω++++++
根据以上式子可画出输入、输出信号的频谱图，如下：
若采用负频率，即
+-++-+-=t U t U t U t uo c n imn c im c im )cos(21
)cos(21)cos(21)(2211ωωωωωω
t U t U t U n c imn c im c im )cos(21
)cos(21)cos(212211ωωωωωω++++++
则频谱如下：
由以上两种情况可以看出，若采用负频率时，)(0t u 的频谱相当于把)(t u I 的频谱沿频率轴向右和向左搬移了f c 个单位，同时谱线长度减半而得到的。显然在频谱移过程中，
)(t u I 和)(0t u 频谱内部结构保持不变。因此，模拟乘法器可以组成频谱搬移电路。
结论：信号)(t u I 和t c ωcos 相乘,相当于把)(t u I 的频谱沿频率轴不失真地向左和向右搬移f c ，且各谱线长度减半。（注：负频率只是为了帮助我们理解频谱搬移过程才引入的，实际上负频率是不存在的）
二．其它非线性器件实现频谱搬移的原理
除模拟乘法器外，二极管、三极管、场效应管、变容管等也都是非线性器件，它们的伏安特性都是曲线。不同非线性器件的伏安特性是不同的，伏安特性一般表示为
()u f i =
1．非线性器件的特性描述（幂级数表示法）
如果非线性器件的静态工作点电压为U Q ,表态工作点电流为I Q ,则其伏安特性可在U=U Q 附近展开为幂级数
+-++-+-+=n Q n Q Q U u U u U u i )()()(2210αααα （6-5）
式中Q Q I U f ==)(0α )(!
1
!1)(Q n U u n
n n U f n du i
d n Q
=
=
=α ),2,1( =n 在实际分析和计算时，总是取上述幂级数的有限项来近似表示非线性器件的伏安特性。要取多少项，取决于要求近似的准确度和特性曲线的运用范围。一般说来，要求近似的准确度高，或特性曲线的运用范围宽，则所取的项数就越多。当然，为了计算简单，在工程计算允许的准确度范围内，应尽量选取较少的项数来近似。例如，若非线性器件工作在特性曲线的近似直线的部分，或输入信号足够小，使器件工作在曲线很小的一段时，则可把非线性器件当成线性化来处理，只需取幂级数前两项，即)(10Q U u i -+≈αα 如果非线性器件工作在特性曲线的弯曲部分，如实现频谱搬移电路，则至少要取幂级数的前三项,即用下述的二次三项式来近似：2210)()(Q Q U u U u i -+-+≈ααα
如果加到器件上的信号很大(此时特性曲线运用的范围很宽)，或在某些特定的场合，如混频干扰，就需要取幂级数更多的项。
2.非线性器件的相乘作用实现频谱搬移
若非线性器件外加两个输入电压u 1和u 2，且忽略负载的反作用，则
012Q u U u u =++
把上式代入式(6-5)，可得2011221212()()()n n i u u u u u u αααα=++++++++ （6-6） 式（6-6）即为非线性器实现频谱搬移的幂级数展开式。
由上式可以看出，i 中u 1与u 2的相乘项为2122u u α，它是由幂级数中的二次方项产生的。因此，凡是伏安特性的幂级数展开式中含有二次方项的非线性器件，都具有相乘的作用，则都可实现频谱搬移。
例如，场效应管具有平方伏安特性1GS
D DSS GS off u i I U =-2
（）
（）
因此，场效应管具有相乘作用， 可实现频谱搬移的功能。
但是，由式(6-6)知，一般非线性器件的i 中除含有用的相乘项12u u 外，还有12m n u u （m 、n 是不能同时为1的整数），众多无用的相乘项。这些无用相乘项将产生许多不需要的频率成分，必须用滤波器除去，否则将形成干扰。
设11122212cos ,cos ,m m u U t u U t ωωωω==≠。若取式(6-6)中前四项，利用三角公式进行化简，得到的结果表明，输出电流i 中除了含有直流分量(频率为0)、基波分量ω1、
ω2及二次谐波分量2ω1、2ω 2 之外，还产生了和频、差频分量ω1±ω2以及3ω1 3ω2、ω1±2ω2、2ω1±ω2众多的频率分量。这些频率分量可用∣±p ω1±q ω2∣ 来表示，其中p ，q=0，1，2，3，且 p+q ≤3(因特性的幂级数展开式只取到三次方项)。如采用式(6-6)，则i 中含有无限多个频率分量，其一般表达式为ωk =∣±p ω1±q ω2∣，或f k =∣±pf 1±qf 2∣ （ p ，q=0，1，2，… ）
上式即为组合频率。其中 p=1、q=1的组合频率分量f k =∣±f 1±f 2∣是有用相乘项产生的，而其他组合频率分量都是无用相乘项产生的，它们将会形成干扰。一般组合频率分量都是成对出现的，例如，有(f 1+f 2)就一定有(f 1-f 2)等，成对的频率分量的振幅都相同。
3.实现接近理想频谱搬移的措施:采用模拟乘法器。
对于其他的非线性器件，必须减小无用相乘项及其产生的组合频率分量的数目和振幅。在实践中可采取下述措施：(1）选取具有平方律特性的场效应管；(2）选择合适的静态工作点使器件工作在特性接近平方律的区域；(3）采用多个非线性器件组成的平衡电路，以抵消一部分无用的组合频率分量；(4）减小输入电压幅度，以便有效地减小p 、q 较大的组合频率分量的振幅；(5）选用合适的滤波器滤掉无用的组合频率分量等。
4.本章小结
(1) 频率变换是通信和电子技术中的重要概念，分为频谱搬移和频谱非线性变换两大类。
(2) 集成模拟乘法器是继集成运放之后的又一种通用的模拟集成电路，它可实现两个模拟信号的相乘。除了用于各类模拟运算、压控增益、整流等电路中，还广泛用于频谱搬移电路。
(3) 一般非线性器件由于其特性含有二次方项，故也有相乘作用，即也具有频谱搬移作用。
三．例题：
1、已知晶体管转移持性为ic=α0+α1u+α2u 2，u=u 1+u 2，
设111222cos ,cos ,m m u U t u U t ωω==求集电极输出电流中的频率分量。
解：本题是分析晶体管基极直流偏压上迭加两个不同频率的交流信号时的频率变换情况。将u=u 1+u 2代入晶体管转移持性ic=f （u ）得
20112212()()c i u u u u ααα=++++
将111222cos ,cos ,m m u U t u U t ωω==代入上式，再对各项进行三角变换，则可得ic 中频率分量表达式
ωk =∣±p ω1+q ω2∣， （ p ，q=0，1，2，… ）
本课小结：
1. 模拟乘法器实现频谱搬移的原理（从频谱的角度去分析）。
2. 其它非线性器件实现频谱搬移的原理: 非线性器件的特性描述（幂级数表示法）；
非线性器件的相乘作用实现频谱搬移（从幂级数的展开式角度去分析）其中有用项是二次方项。凡是伏安特性的幂级数展开式中含有二次方项的非线性器件，都具有相乘的作用，则都可实现频谱搬移。
本课作业：
1. 某非线性器件的伏安特性为i=a 1u+a 3u 3。试问该器件能否实现相乘作用？
为什么？
2. 某非线性器件的伏安特性为i=10+15(u-1)+5(u-1)2(mA),式中,
u=1+2cos ωt(V) 。求i 的直流、基波、二次谐波分量的振幅。
基于LM331频率电压转换器电路设计LM331基本上是从国家半导体精密电压频率转换器。该集成电路具有手像应用模拟到数字的转换，长期一体化，电压频率转换，频率电压转换。宽动态范围和出色的线性度，使适合上述应用的IC，这里的LM331作为电压转换器转换成一个成比例的电压，这是非常线性的输入频率与输入频率的频率有线。电压转换的频率达到差分输入频率使用电容C3和电阻R7，和由此产生的脉冲序列喂养的PIN6的 IC(阈值)。在PIN6负由此产生的脉冲序列的边缘，使得内建 说明 LM331基本上是从国家半导体精密电压频率转换器。该集成电路具有手像应用模拟到数字的转换，长期一体化，电压频率转换，频率电压转换。宽动态范围和出色的线性度，使适合上述应用的IC，这里的LM331作为电压转换器转换成一个成比例的电压，这是非常线性的输入频率与输入频率的频率有线。电压转换的频率达到差分输入频率使用电容C3和电阻R7，和由此产生的脉冲序列喂养的PIN6的 IC(阈值)。在PIN6负由此产生的脉冲序列的边缘，使得内建的比较器电路，触发定时器电路。在任何时刻，电流流过的电流输出引脚(引脚6)将输入频)的值成正比。因此，输入频率(FIN)成正比的电压(VOUT)率和定时元件(R1和C1 将可在负载电阻R4 。电路图
注意事项 该电路可组装在一个VERO板上。 我用15V直流电源电压(+ VS)，同时测试电路。 LM331可从5至30V DC之间的任何操作。 R3的值取决于电源电压和方程是R3 =(VS - 2V)/(2毫安)。 根据公式，VS = 15V，R3 = 68K。 输出电压取决于方程，VOUT =((R4)/(R5 + R6))* R1C1 * 2.09V *翅。壶R6可用于校准电路。
《模拟电子技术基础》课程设计报告题目电压/频率变换器 班级电科1124 姓名冯刚毅 学号201211911406 成绩 日期
课程设计任务书
一电压/频率变换器的设计方案简介 1.1 实验目的及应用意义 1．学习简单积分电路的设计与由555定时器组成的单稳态触发器。 2．用multisim设计出实验原题图，使V I变化范围：0∽10V，f o变化范围：0∽10kHz；并分析其功能原理。 1.3 设计思路 电压/频率变换器的输入信号频率f。与输入电压V i 的大小成正比，输入控制电压V i常为直流电压，也可根据要求选用脉冲信号做为控制电压，其输出信号可为正弦波或者脉冲波形电压。 本设计利用输入电压的大小改变电容的充电速度，从而改变振荡电路的振荡频率，故采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，当电容放电到某一域值时，电容C再次充电。由此实现V i 控制电容充放电速度，即控制输出脉冲频率。 1.4 原理框图设计
电压频率转换器原理框图1.5 电路图
二电压频率变换器各单元电路设计 2.1 积分器设计 积分器采用集成运算放大器和R C 元件构成的反向输入积分器。具体电路如下： 2.2 单稳态触发器设计 单稳态触发器采用555 定时器构成的单稳电路。具体电路如下：
2.3 电子开关设计 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+Vcc。 2.4 恒流源电路设计 恒流源电路可采用开关三极管T，稳压二极管D z 等元件构成。具体电路如下所示。当V1’为0时，D2，D3 截止，D4 导通，所以积分电容通过二极管放电。当V1’为1 时，D2，D3 导通，D4 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。
.ffff5.1 频率/电压变换器* 一、概述 本课题要求熟悉集成频率——电压变换器LM331的主要性能和一种应用； 熟练掌握运算放大器基本电路的原理，并掌握它们的设计、测量和调整方法。 二、技术要求 当正弦波信号的频率f i 在200Hz~2kHz 范围内变化时,对应输出的直流电压V i 在1~5V 范围内线形变化; 正弦波信号源采用函数波形发生器的输出(见课题二图5-2-3); 采用±12V 电源供电. 三、设计过程 1．方案选择 可供选择的方案有两种,它们是: ○ 1用通用型运算放大器构成微分器,其输出与输入的正弦信号频率成正比. ○ 2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. 因为上述第○ 2种方案的性能价格比较高,故本课题用LM331实现. LM331的简要工作原理 LM331的管脚排列和主要性能见附录 LM331既可用作电压――频率转换（VFC ） 可用作频率――电压转换（FVC ） LM331用作FVC 时的原理框如图5-1-1所示. -输入比较器 定时比较器 + +56 7 1s Q T C t R t V CC 2/3V CC 9/10V CC s 置“1”端 置“0”端 R R L C L -V 0 fi 图5-1-1 +V CC Q + 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. 工作过程(结合看图5-1-2所示的波形)如下:
2/3V CC v ct t 1.1R t C t t 0V 0 v CL t 3.5v p-p V CC 1/f i t 1 s t 图5-1-2 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）。
第4章 频率变换电路基础 4.1非线性器件的伏安特性为212i a u a u =+，其中的信号电压为 1cos cos cos 22 cm c m m u U t U t U t ωΩΩ=+Ω+ Ω 式中，c ωΩ 。求电流i 中的组合频率分量。 解：212i a u a u =+ 2 122 222222 12211cos cos cos 2cos cos cos 22211cos cos cos 2cos cos cos 2242cos cos cos co cm c m m cm c m m cm c m m cm c m m cm m c cm m c a U t U t U t a U t U t U t a U t U t U t a U t U t U t a U U t t U U t ωωωωωωΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩ???? =+Ω+Ω++Ω+Ω ? ? ???? ????=+Ω+Ω++Ω+Ω ? ?????+Ω+() 2 s 2cos cos 2m t U t t ΩΩ+ΩΩ ∴电流i 中的频率分量为c ω、Ω、2Ω、2c ω、4Ω、c ω±Ω、2c ω±Ω、3Ω。其中组合频率分量为： c ω±Ω、2c ω±Ω。 4.2非线性器件的伏安特性为 (0)0 (0) d g u u i u >?=? ?==? ?=?
机械与电子工程学院 课程设计报告 课程名称模拟电子技术课程设计设计题目电压频率变换器 所学专业名称电气信息类 班级电类114班 学号********** 学生姓名王*金 指导教师汪* 2012年12月23日
机电学院模拟电子技术课程设计 任务书 设计名称：电压频率转换器 学生姓名：王*金指导教师：汪* 起止时间：自2012 年12 月10 日起至2012 年12 月25 日止 一、课程设计目的 1).熟悉集成电路及有关电子元器件的使用; 2).了解电压平频率转换器主体电路的组成及工作原理; 3).学习电路中基本电路的应用以及单稳态触发器等综合应用。 二、课程设计任务和基本要求 设计任务： 1）.熟悉和应用比较器的构成及设计方法，尤其是迟滞比较器的应用。 2）.熟悉和应用积分器的构成和设计方法，了解电容在其中的工作原理。 3）.熟悉和简单应用二极管作电子开关的构成和设计方法。 4）.熟悉迟滞比较器与积分器之间的波形转换。 5）.熟悉掌握运用multisim画图、调试和仿真。 基本要求： 1).有明确的设计方案使操作简便易行。 2）.设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波，包括：积分器；电压
比较器。 3）.输入为直流电压0-10V。 4）.输出为f=0-500Hz的矩形波。 5).按规定格式写出课程设计报告书。
机电学院模拟电子技术课程设计指导老师评价表
目录 摘要和关键词 (1) 第一章设计指标 (2) 1.1 设计指标 (2) ◆ 1.1.1设计内容 (2) ◆ 1.1.2设计要求 (2) 第二章系统设计原理及内容 (2) 2.1 设计思想 (2) 电压/频率转换器原理框 (2) 第三章电路各模块方案设计 (3) 3.1 积分器的设计方案 (3) 3.2比较器的设计方案 (4) ◆ 3.2.1电压比较器 (4) ◆ 3.2.2过零比较器 (5) 3.3单稳态触发器 (6) 3.4低通滤波器 (6) 3.5模块的整合 (7) ◆ 3.5.1 电压/频率 (7) ◆ 3.5.2 频率/电压 (7) 第四章结束语 (8) 4.1心得体会 (8) 元件清单 (9) 参考文献 (9)
A1的反馈电阻决定其直流增益。调整电位器RP1（10kΩ），使输入频率为30kHz 时，A1输出为3V，这样对于输入0～30kHz频率，可得0～3V输出电压，线性度为0.005％左右。 温漂取决于电容C2、A1的反馈电阻以及基准电压（13脚电压）。为此，C2采用温度系数为-120ppm/℃的聚苯乙烯电容，R2（75kΩ）采用温度系数为+120ppm/℃的电阻，基准电压电路的稳压二极管VD1采用LT1004。 本电路开关电容滤波器采用LTC1043，A1采用LF356，也可用其他讼司类似产品代替。 如图是NE555构成的电压/频率转换电路。电路中n，A1和A2构成同相积分器，VT1和A3构成恒流源，NE555构成单稳多谐振荡器。VT2是受NE555控制使其开关工作，对恒流源实行通/断控制。 A1和A2构成同相积分器，即同相输入电位较高，则输出上升；反之，同相输入电位较低，则输出下降。恒流源电流对C1进行充电，由于A2的同相输入为零，致使A2输出向负方向变化。由于A2为反相器，因此，A1的输出当然是向正方向上升。若恒流源切断，则积分电流仅是与恒流源反向的输入电流对C1反向充电，又使A2的输出电压向正方向变化，同理A1的输出向负方向变化。由此可知，积分电流受VT2的控制改变方向，从而实现了A1的积分输出改变方向。A1的输出送至NE555的2脚，只要7脚内部晶体管开路，C2就由R4充电使其电压上升，当6脚电平达到（2/3）Ucc时就会使片内触发器翻转，3脚变为低电平，同时C2通过7脚放电返回到零电位。由于3脚为低电平，VD1导通使VT2截止，这就切断了恒流源向积分器的充电通路。这时，A1输出下降，一直降到（1/3）Ucc时又使NE555的2脚为低电平并处于触发状态，于是又开始新的一轮循环，即3脚输出高电平，C2通过R4充电，VD1截止使恒流源为积分器提供电流直到3脚返回到低电平为止。重复上述过程就形成振荡，将输入0～-1OV电压转换为0～100 kHz的频率输出。
模电设计课程设计报告 题目：电压/频率变换器 姓名： 班级： 学号： 指导老师： 2011年 1 月12 日
1 绪论 （1）电压/频率转换即v/f转换，是将一定的输入信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。它的功能是将输入直流电压转换频率与其数值成正比的输出电压，故也称电压控制振荡电路。 如果任何一个物理量通过传感器转换成电信号后，以预处理变换为合适的电压信号，然后去控制压控振荡电路，再用压控振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个数，并用数码显示，那么可以得到该物理量的数字式测量仪表。 图1 数字测量仪表 电压/频率电路是一种模/数转换电路，它应用于模/数转换，调频，遥控遥测等各种设备。 （2）F/V转换电路 F/V转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号。这种电路主要包括电平比较器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。它有通用运放F/V转换电路和集成F/V转换器两种类型。 1.1设计要求 设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波的电路,要求包括：积分器；电压比较器和一个将给定频率的矩形波转换为直流电压的电路，要求包括：过零比较器、单稳态触发器、低通滤波器等。 1.2 设计指标 (1）输入为直流电压0-10V，输出为f=0-500Hz的矩形波。 （2）输入ui是0~10KHZ的峰-峰值为5V的方波，输出uo为0~10V的直流电压。 2 设计内容总体框图设计 2．1 V/F转换电路的设计 2.1.1 工作原理及过程 积分器和滞回比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图 2所示，比较器输出的矩形波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成矩形波，这样便可构成三角波，矩形波发生器。由于采用集成运放组成的积分电路，因此可以实现
单元六频率变换电路 课题： 单元六 6.1 频率变换的基本概念与信号的表示 6.2 模拟乘法器及其典型应用教学目的： 1. 理解频率变换的基本概念与信号的表示 2. 掌握模拟乘法器及其典型应用教学重点： 1.频率变换的基本概念与信号的表示（频谱） 2.模拟乘法器及其典型应用教学难点： 模拟乘法器应用电路的分析方法教学方法： 讲授 课时： 2 学时 教学进程
单元六频率变换电路 在通信和电子技术中，频率（或频谱）变换是很重要的概念。本章先简单介绍频率变换的基本概念，接着讨论实现频率变换的最重要的器件一一集成模拟乘法器及其简单的应用，最后分析频谱搬移实现原理。 6.1 频率变换的基本概念与信号的表示 一?信号的频谱 1 ?信号的频谱 是指组成信号的各个频率正弦分量按频率的分布情况，即用频率f （或角频率）作为横坐标、用组成这个信号的各个频率正弦分量的振幅Um作为纵坐标作图，就可以得到该信号的频谱图，简称频谱。 2?用频谱表示信号的优点： 可以更直观地了解信号的频率组成和特点，例如信号的频带宽度（带宽）等。 3.—个信号的表示方法：一是写出它的数学表达式；（时域） 二是画出它的波形；（时域） 三是画出它的频谱。（频域） 这三种表示方法在本质上是相同的，故可由其中一种表示方法得到其他两种表示方法。数学表达式表示信号既清楚又准确，波形和频谱表示信号比较直观。但对于某些复杂的信号或无规律的信号，要写出它的数学表达式或画出它的波形很困难，这时用频谱来表示这种信号既容易、又方便。因此用信号的频谱可以表示任何一种信号。 下面举几个例子来理解它们之间的相互转换关系。 ［例6-1］某电压信号的数学表达式为u（t） 3sin °t（V），试画出它的波形和频谱。 解：这是一个单一频率的正弦信号，其频率f o 。/2，其波形如图6-1 （a）所示。由于振幅Um=3V故其频谱如图6-1 （b）所示。 E 5 1 （a）单频倍号的涙形 （3单频信号的频満
固定频率PWM微功率DC/DC变换器设计 在电池供电的计算机,消费类产品和工业设备中,DC/DC变换器是重要的部件。变换器有两种类型：线性变换器和开关变换器。开关变换器主要有三种拓扑结构：降压变换器（开关稳压器将一输入电压变换成一较低的稳定输出电压）;升压变换器（开关稳压器将一输入电压变换成一较高的稳定输出电压）;反激变换器（开关稳压器将一输入电压变换成一较低的稳定反相输出电压）。在此用Motorola的MC33466微功率开关稳压器来设计降压变换器、升压变换器 在电池供电的计算机,消费类产品和工业设备中,DC/DC变换器是重要的部件。变换器有两种类型：线性变换器和开关变换器。开关变换器主要有三种拓扑结构：降压变换器（开关稳压器将一输入电压变换成一较低的稳定输出电压）;升压变换器（开关稳压器将一输入电压变换成一较高的稳定输出电压）;反激变换器（开关稳压器将一输入电压变换成一较低的稳定反相输出电压）。 在此用Motorola的MC33466微功率开关稳压器来设计降压变换器、升压变换器和反激变换器。MC33466器件具有非常低的静态偏置电流（典型值15μA）,含有高精度电压基准、振荡器、脉宽调制（PWM）控制器、驱动晶体管、误差放大器、反馈电阻分压器等。 MC33466变换器工作如同一个固定频率电压模式稳压器。变换器工作在非连续模式,在晶体管开关导通期间,电感电流跃变到峰值大于或等于dc输入电流的两倍值。在晶体管开关的关闭期间,电感电流跃变到零,直到另一个转换周期开始为止。 因为输出电压端也同样作为电源电压来为内部电路供电,所以在降压变换器和反激变换器设计中,需要一个外部启动电路为集成电距开始转换提供起始功率。 图1、图2和图3分别为用MC33466设计的升压变换器、降压变换器和反激变换器。在图3和图3中的启动电路用三个分立元件组成。 在变换器设计中必须选择下列参数： Vin--额定工作的dc输入电压 Vo--所希望的dc输出电压 Io--所希望的dc输出电流 Vripple(pp)--所希望的峰-峰输出波纹电压。为使性能最佳,波纹电压应该保持一低数值一,因为它将直接影响电源电压调整率和负载调整率。
淮海工学院 课程设计报告书 课程名称：模拟电子技术课程设计 题目：频率/电压转换电路的设计系（院）：电子工程学院 学期：12-13-1 专业班级：电子112 姓名：孙开峰 学号：2011120658
1、概述 本设计实验要求对比较器、F/V变换器LM331、反相器和反相加法器的主要性能和应用有所了解，要能掌握其使用方法。同时要了解它们的设计原理。 本设计实验要求我们要灵活运用所学知识，对设计电路的理论值进行计算得到理论数据，在与实验结果进行比较。 1.1 主要设计要求 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Vi在1~5V范围内线形变化; 正弦波信号源采用函数波形发生器的输出; 采用±12V电源供电. 1.2 设计方法 设计总体框图如下，可供选择的方案有两种，它们是： ○1用通用型运算放大器构成微分器,其输出与输入的正弦信号频率成正比. ○2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. 2、设计过程 2.1 函数信号发生器ICL8038芯片介绍 2.1.1 ICL8038作用 ICL 8038 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部元件就能产生从 0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。 2.1.2 ICL8038管脚介绍
图2 ICL8038 表1 引脚功能介绍
2.2 比较器的设计 过零比较器 过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。原理是利用比较器对两个输入电压进行比较。两个输入电压一个是参考电压Vr ，一个是待测电压Vu 。一般Vr 从正相输入端接入，Vu 从反相输入端接入。根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电压。当参考电压已知时就可以得出待测电压的测量结果，参考电压为零时即为过零比较器。 用比较器构造的过零比较器存在一定的测量误差。当两个输入端的电压差与开环放大倍数之积小于输出阈值时探测器都会给出零值。例如，开环放大倍数为106，输出阈值为6v 时若两输入级电压差小于6微伏探测器输出零。这也可以被认为是测量的不确定度。 2.3 F/V 变换电路的设计 2.3.1 F/V 变换器的简单介绍 LM331是美国NS 公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/ D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331 采用了新的温度补偿能隙基准电路, 在整个工作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有极高的精度。LM331 的动态范围宽, 可达 100dB ; 线性度好, 最大非线性失真小于 0.01% ,工作频率低到0.1Hz 时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位; 外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F 或 F/V 等变换电路,并且容易保证转换精度。 2.3.2 LM331 器件管脚图及管脚功能 VI + — A +V CC —V EE Vo 图3 过零比较器
单元六频率变换电路课题： 单元六6.1频率变换的基本概念与信号的表示 6.2模拟乘法器及其典型应用 教学目的： 1. 理解频率变换的基本概念与信号的表示 2. 掌握模拟乘法器及其典型应用 教学重点： 1.频率变换的基本概念与信号的表示（频谱） 2.模拟乘法器及其典型应用 教学难点： 模拟乘法器应用电路的分析方法 教学方法： 讲授 课时： 2学时 教学进程
单元六 频率变换电路 在通信和电子技术中，频率（或频谱）变换是很重要的概念。本章先简单介绍频率变换的基本概念，接着讨论实现频率变换的最重要的器件——集成模拟乘法器及其简单的应用，最后分析频谱搬移实现原理。 6.1 频率变换的基本概念与信号的表示 一. 信号的频谱 1．信号的频谱 是指组成信号的各个频率正弦分量按频率的分布情况，即用频率f （或角频率ω）作为横坐标、用组成这个信号的各个频率正弦分量的振幅Um 作为纵坐标作图，就可以得到该信号的频谱图，简称频谱。 2．用频谱表示信号的优点： 可以更直观地了解信号的频率组成和特点，例如信号的频带宽度（带宽）等。 3．一个信号的表示方法：一是写出它的数学表达式；（时域） 二是画出它的波形；（时域） 三是画出它的频谱。（频域） 这三种表示方法在本质上是相同的，故可由其中一种表示方法得到其他两种表示方法。数学表达式表示信号既清楚又准确，波形和频谱表示信号比较直观。但对于某些复杂的信号或无规律的信号，要写出它的数学表达式或画出它的波形很困难，这时用频谱来表示这种信号既容易、又方便。因此用信号的频谱可以表示任何一种信号。 下面举几个例子来理解它们之间的相互转换关系。 [例6-1]某电压信号的数学表达式为)(sin 3)(0V t t u ω=，试画出它的波形和频谱。 解： 这是一个单一频率的正弦信号，其频率πω2/00=f ，其波形如图6-1（a ）所示。由于振幅Um=3V ，故其频谱如图6-1（b ）所示。
电压—频率转换电路设计课题：电压—频率转换电路 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 设计时间：
题目电压—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 用集成运放构成的电压—频率转换电路，将直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压，其输出为矩形波。 方案一、采用电荷平衡式电路 输入电压→积分器→滞回比较器→输入 原理图：
方案二、采用复位式电路 输入电压→积分器→单限比较器→ 输出 原理图： 通过对两种转换电路进行比较分析，我选择方案一来实现电压—频率的转换。方案一的电路图简单，操作起来更容易，器件少，价钱也更便宜，且方案一
的线性误差小，精度高，实验结果更准确，所以我选择方案一。 三、单元电路设计与参数计算 1、电源部分： 图1 电源原理图 单相交流电经过电源变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。 直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉冲电压。
为了减少电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。 交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载变化的影响，从而获得足够高的稳定性。 取值为： 变压器：规格220V~15V 整流芯片：LM7812、LM7912 整流用的二极管：1N4007 电解电容：C1、C2：3300uf C4、C3：0.22uf C6、C5：0.47uf C7、C8：220uf 发光二极管上的R：1KΩ 2、电压—频率转换部分： ○1积分器： 图2—1 积分运算电路
电压频率与频率电压 转换电路 2011年8月24日
目录： 摘要： (2) Abstract: (2) 一、设计方案 (3) （一）、电压频率转换电路 (3) 1.基于555定时器的电压频率转换： (3) 2.基于LM331的电压频率转换： (4) （二）、频率电压转换电路 (5) 1.基于LM2907的频率电压转换： (5) 2.基于LM331的频率电压转换 (5) 二、主体电路设计 (8) 三、电路安装 (9) （一）、电压频率转换电路 (9) （二）、频率电压转换电路 (10) 四、系统调试： (10) （一）VFC: (10) （二）FVC： (11) 1
摘要： 本系统利用了LM331的原理及性能设计了频率电压以及电压频率转换电路，实现了0Hz--10kHz频率与0—10V电压的相互转换，电路简单，转换结果线性度好。 关键字：LM331 频率电压转换滤波 Abstract: The system uses the principle and characteristic of LM331 to design the frequency-to-voltage and the voltage-to- frequency conversion circuits, realizes the frequency of 0Hz--10kHz and the voltage of 0 - 10V’s transformation , the circuits are simple and result have good linearity. Key-word: LM331 frequency voltage transformation filter 2
基于单片机的电压频率转换电路设计、装配与调试 1．电压频率转换电路 图3-13 LM331构成单片机V/F数据采集前向通道电原理图 1．电路工作原理分析 LM331片内能隙基准电路产生1.9V直流电压送到2脚，并钳位在1.9V上。当2脚外接R S+R S’，后形成基准电流i＝1.9/(R S+R S’)。本例i＝1.9/(12k+R S’)，i max＝1.9/12k＝158μA，i min＝1.9/17K＝112μA。 片内输入比较器的两个输入端：7脚接被测输入电压V IN。6脚为阈值电压V X,并与电流输出端1脚相连。外接R L、C L电路。片内定时比较器两个输入端：一个在片内通过R、2R电阻分别与V CC、GND相连；获得固定的比较电压2/3V CC。另一个输入端5脚接Rt、Ct相连；获得随Ct充电状态变化的电压V5。V5与2/3V CC 比较，当Ct充电到V5>2/3V CC时，定时比较器使片內R-S触发器复位。在R-S 触发器复位状态下电流开关断开，输出驱动晶体管截止，使Ct开始放电。片內R-S触发器与定时比较器和复位晶体管以及外接Rt、Ct构成一个单稳脉冲定时器。定时周期T＝1.1Rt×Ct。 当输入比较器的V IN>V X时，启动单稳脉冲定时器并导通频率输出晶体管，使3脚连接的光电耦合器导通。同时片内开关电源导通电流i通过1脚向C L充电，Vx逐渐升高；当Vx上升到V IN
注入C L 的平均电流IA VE ＝i ×t ×fout 严格地等于Vx ／R L 。IA VE ＝i ×t ×fout ＝ Vx/R L 。又V IN ≈V X ，故有： i ×t ×fout ≈ Vx/R L fout ＝t i R V L IN ??＝)'/(9.11.1RS RS C R R V t t L IN +???＝t L IN C Rt R RS RS V ???+?09.2） ’（ 根据已知电路参数R S +R S ’＝15k ，R L ＝100k ，Rt ＝6.8k ，Ct ＝0.01μF fout ≈000001.001.010008.6100010009.2001015????????IN V ＝1000VIN 可得当V IN =1V 时，fout=1000HZ 。V IN =10V 时，fout=10000HZ ，线性度可达0.01`％。 输入电压V IN 经一个R C 低通滤波器消除干扰，进入输入端7脚。R C 滤波器截止频率fo 为: fo ＝112C R V IN π=000001 .04.010*******.321?????≈16HZ R S 、R L 、Rt 和Ct 直接影响转换结果，对元件精度有一定要求，可根据转换精度适当选择。R S 、R L 、Rt 和Ct 要选用低温漂的稳定元件，C L 虽对转换结果无影响，但应选择漏电流小的电容。 3. 频率测量程序设计 LM331的3脚输出脉冲频率信号经光电耦合器隔离后，送入8031。由单片机程序对被测信号频率进行计数，或测定被测信号的周期，即可有两种方法。被测量信号频率fout ＝0～10KHZ ，当单片机系统时钟为6MHZ 时，T0或T1定时 脉冲fc=6MH Z ／12=500 KH Z ，由测频公式fout ＝ c x n n *fc (x n 为被测信号计数值，c n 为定时脉冲计数值)，当c n 固定时，为频率法，当x n 固定时，为周期法。 由于定时的起始、结束边沿与被测的计数脉冲边沿不同步，将出现±1个被测的计数脉冲的误差δ，误差δ与被测量信号频率fout 有关，fout 越低，误差δ越大。要实现高精度频率测量，可采用同步计数技术来改善误差δ。用频率低的被测信号来控制定时计数的起始、结束（同步），此时产生的±1个脉冲的误差δ为±1个频率高的定时计数脉冲，降低了误差δ。同步计数时序见图3-14，fout-
频率变换电路简介 频率变换电路也称之为频率变频器(Converter)，为高频率电路独特的电路方式。如大家所详知的超外差(Superheterodyne)方式，便为频率变换的一种方式。频率变换电路可以将HF~VHF~UHF 等的宽频带频率信号变换为任意的频率范围。 频率变换的目的频率变换电路为将输入信号变换为另外的频率的一种电路。其构成如图l 所示，假设输入信号频率为fs，局部振荡电路的振荡频率为fosc，则经过频率变换后，可以得到(fs+fosc)与(fs-fosc)的信号输出。 图1 频率变换电路的工作原理(将二种信号合成，可以得到和或差的信号) 图2 传送接收机的频率变换电路的作用(此为可以将频率变换成为此原来频率更高或更低的频率，以便可以简单处理所需的信号频率。) 图2 所示的为在传送接收机内所使用的频率变换电路。其中的(a)为在接收机所使用的频率变换电路，称为超外差方式。此为将天线所输入的高频率信号，经过频率变换电路变换成为中间频率(IF 信号)。 为何要如此处理呢？如果将同一频率的高频率信号维持原状，一直放大，则在电路中，由于杂散结合等因素，会很容易产生振荡。如果利用变频电路，将其改变成为频率较低的中间频率，则可以有效地使用滤波器，且可以改善选择度。在图(b)的传送机中，在做调变工作原理时，所使用的载波频率不要太高，便可以维持电路的稳定。另外，从滤波器的选择度观点来说，也希望所使用的调变为数MHz，也即是，载波频率较低些，然后经过率变换电路后，便可以达到所需要的频率。 会产生相互调变特性的影响在接收机或传送机，由于使用频率变换电路，可以使性能改善。但是，也有其缺点。特别是在接收机方面，会产生相互调变失
长沙学院 课程设计说明书 题目125电压频率变换器的设计系(部) 电子与通信工程 专业(班级) 姓名 学号 指导教师 起止日期
模拟电路课程设计任务书（20） 一．设计题目 电压频率变换器的设计 二．技术参数和设计要求 1. 技术参数 （1）设计一种电压/频率变换电路，输入vi为直流信号（控制信号），输出频率为fo的矩形脉冲，且fo∝vi。 （2）vi变化范围为0～10V。 （3）fo变化范围为0～10kHz。 （4）转换精度<1%。 2. 设计要求 （1）画出电路原理图或仿真电路图； （2）元器件及参数选择； （3）电路仿真与调试； （4）PCB文件生成与打印输出； （5）编写设计报告：包括设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。 （6）答辩，在规定时间内完成叙述并回答问题。 三．设计工作量 设计时间一周，2012年下学期进行。 四．工作计划 星期一：布置设计任务，查阅资料； 星期二~星期四：设计方案论证，进行电路设计，计算并选择电路元件及参数； 星期五：撰写设计报告及使用说明书，进行个别答辩。 五．参考资料 1．彭介华，《电子技术课程设计指导》，北京：高等教育出版社，1997； 2．高吉祥，《电子技术基础实验与课程设计》，北京：电子工业出版社，2005； 3．童诗白，《模拟电子技术基础》，北京：高等教育出版社，1988； 4．康华光，《电子技术基础——模拟部分》，北京：高等教育出版社，2006 六．指导教师 马凌云 七．系部审批
长沙学院课程设计鉴定表
目录 一．技术参数和设计要求 (4) 1.1. 技术参数 (4) 1.2 设计要求 (4) 二．设计思路 (4) 三．单元电路设计 (6) 3.1积分器的设计： (6) 3.2单稳态触发器的设计 (6) 3.3电子开关的设计 (7) 3.4恒流源电路的设计 (8) 四、总原理图及元器件清单 (9) 4.1总原理图 (9) 4.2元器件清单 (9) 五、基本计算与仿真调试分析 (9) 5.1基本计算 (9) 5.2仿真数据 (10) 六、课程设计总结 (13) 七、参考文献 (14) 一．技术参数和设计要求 1.1. 技术参数 （1）设计一种电压/频率变换电路，输入vi为直流信号（控制信号），输出频率为fo的矩形脉冲，且fo∝vi。 （2）vi变化范围为0～10V。 （3）fo变化范围为0～10kHz。 （4）转换精度<1%。 1.2设计要求 （1）画出电路原理图或仿真电路图； （2）元器件及参数选择； （3）电路仿真与调试； 二．设计思路 这个电路主要是有积分器，单稳态触发器，电子开关和恒流电路组成。具体原理框图如下：
2 电压/频率转换电路 电压/频率转换即V/F 转换，是将一定的输入电压信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。针对煤矿的特殊要求，我们只分析如何将电压转换成200～1000Hz的频率信号。 实现V/F 转换有很多的集成芯片可以利用，其中LM331是一款性能价格比较高的芯片，由美国NS公司生产，是一种目前十分常用的电压/频率转换器，还可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。由于LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01% ，工作频率低到1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0～40V 之间，输出可高达40V，而且可以防止Vs短路。图2是由LM331组成的典型的电压/频率变换器。 其输出频率与电路参数的关系为： Fout= Vin·Rs/(2.09·R1·Rt·Ct) 可见，在参数Rs、R1、Rt、Ct确定后，输出脉冲频率Fout与输入电压Vin成正比，从而实现了电压-频率的线性变换。改变式中Rs的值，可调节电路的转换增益，即V和F之间的线性比例关系。将1～5V 的电压转换成200～1000Hz的频率信号，电路参数理论值为R =18kΩ，Ct=0.022uF，R1=100kΩ，Rs=16.5528kΩ，由于元器件与标称值存在误差，在
课程设计Ⅱ 题目电压频率变换器的设计 学生姓名学号 0810064013 所在院(系)物电学院 专业班级电子信息科学与技术081班 指导教师 完成地点陕西理工学院 2011 年 11月 16 日
设计题目：电压/频率变换器的设计 学生信息姓名性别男班级电信 081班 学号0810064013 任务要求 电压/频率变换器输入V i为直流电压（控制信号），输出频率为f0的矩形脉冲；且Vi 变化范围：0～10V；f0变化范围：0～10kHz；转换精度<1%。并且要有具体的仿真结果。 所需实验设备、器材、软件 计算机，protel软件 设计与制作方案、所用方法及技术路线 1.明确性能指标，仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2.确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。 3.设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。 4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 设计与制作进度 第一周：对protel软件的学习和总体设计； 第二周：对各部分功能的设计并且按时完成。 设计与制作完成情况 完成了用软件仿真来实现电压/频率的变换。硬件部分只设计了下电路没有实物。 设计与制作收获及总结：由于以前从未接触过protel，所以完全需要自学，书上的资料不够用，就去图书馆借书，上网查资料，发现问题，不断地改进，最终才得以克服。特别谢谢我们的指导老师刘东老师在我做课程设计过程中对我的耐心指导，以及同学的帮助。 学生签字年月日 设计与制作成绩（五级制） 指导老师签字年月日教研室意见 教研室主任签字年月日系领导意见 领导签字年月日备注：学生除填写本表相应的内容外，还应撰写一份完整的设计与制作报告.
第4章 频率变换电路基础 非线性器件的伏安特性为212i a u a u =+，其中的信号电压为 1 cos cos cos22 cm c m m u U t U t U t ωΩΩ=+Ω+Ω 式中，c ωΩ?。求电流i 中的组合频率分量。 解：212i a u a u =+ 2 122 2222 2212211cos cos cos 2cos cos cos 22211cos cos cos 2cos cos cos 2242cos cos cos co cm c m m cm c m m cm c m m cm c m m cm m c cm m c a U t U t U t a U t U t U t a U t U t U t a U t U t U t a U U t t U U t ωωωωωωΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩ???? =+Ω+Ω++Ω+Ω ? ? ???? ????=+Ω+Ω++Ω+ Ω ? ????? +Ω+() 2 s 2cos cos 2m t U t t ΩΩ+ΩΩ ∴电流i 中的频率分量为c ω、Ω、2Ω、2c ω、4Ω、c ω±Ω、2c ω±Ω、3Ω。其中组合频率分量为： c ω±Ω、2c ω±Ω。 非线性器件的伏安特性为 (0)0(0)d g u u i u >?=??==??=?
第四章频率变换电路基础自测题 一、填空题 1.具有________功能的电路，属于非线性电路。 2.非线性器件具有________作用。表征非线性电阻性器件的动态参量是________。 3.根据非线性器件不同的工作状态，可用不同的函数对其近似。在分析方法上，主要采用 ________、________、________。 4.当作用于二极管的电压、电流较小时，可用________来进行分析，当激励信号较大时， 可用________来分析。 5.非线性器件具有________作用，其输出电流中所含组合频率分量的多少与________有 关。 6.相乘器是实现两个信号________，完成________功能的器件，它在高频电子技术中具有 十分广泛的用途。 7.相乘器电路可用来完成信号频谱的________，也可实现频谱________变换。 8.相乘器可实现较理想的相乘，进行频谱搬移，即输出端只存在两输入信号的________、 ________。 二、单项选择题 1.下列器件具有非线性特性的是________。 （1）滑动电位器（2）抽头电感器 （3）可变电容器（4）变容二极管 2.非线性器件的参数是________的函数。 （1）工作电压（2）工作电流 （3）工作电压、电流（4）指数 3.当非线性器件正向偏置，且输入信号较小时，一般采用________分析方法。 （1）幂级数展开法（2）线性函数 （3）线性时变分析法（4）开关函数分析法 4.当器件正向偏置，又有两个幅值相差较大的信号作用时，可采用________进行分析。 （1）幂级数展开法（2）线性函数 （3）线性时变分析法（4）开关函数分析法 5.两个幅值相差较大的信号作用在一个非线性器件上，且输入信号较小时，则此器件的工 作状态可认为是________。 （1）幂级数状态（2）线性工作状态 （3）线性时变工作状态（4）开关工作状态 6.二极管环形电路比二极管平衡电路输出组合频率分量要________。 （1）多（2）少 （3）一样（4）完全不同 7.二极管环形电路比二极管平衡电路输出的频率分量的幅度要________。