武汉理工大学《模拟电子技术基础A》课程设计说明书
1. 绪论
课程设计作为模拟电子技术课程以及数字电子技术课程的重要组成部分，在学完专业基础课电路与电子技术和数字电子技术课程后，应进行课程设计，其目的是使学生更好地巩固和加深对基础知识的理解，学会设计中小型数字系统的方法，独立完成调试过程，增强学生理论联系实际的能力，提高学生电路分析和设计能力。通过实践教学引导学生在理论指导下有所创新，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。
通过课程设计使学生学会查阅手册和有关文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力以及了学生培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。通过实际电路方案的分析比较、设计计算、组件选取、安装调试等环节，掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。掌握常用仪器设备的使用方法，学会简单的实验调试，提高动手能力。综合应用课程中学到的理论知识去独立完成一个设计任务。
本次课程设计的设计课题为“频率-电压转换器电路的设计”，要求用集成运算放大器与频率-电压转换器专用集成电路实现频率-电压转换器的设计、装配与调试。通过熟练比较器、频率电压转换器、反相器、反相加法器的原理以及结构，参考各类文献资料熟悉集成频率——电压变换器LM331的主要性能和应用及运算放大器基本电路的原理和应用，并掌握它们的设计、测量和调整方法，最后通过实验要求及个单元电路间的关系，计算选择合适元件组装成合理电路，并对其进行测试。这不仅需要相应的理论知识，而且还需要有一定的实践知识即动手能力。
2．电路设计方案
2.1电路设计要求
2.1．1 频率-电压转换器电路的设计要求：
1)依据已知条件，论证并合理选择电路方案，对确定的电路方案进行设计。
2) 设计并计算各单元电路的元件参数，画出总体电路原理图。（选做：用EWB软件完成部分电路的仿真）
3)安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
主要性能指标：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1-5V范围内线性变化。
已知条件：集成运放选用LM311, 频率-电压转换器选用 LM331专用集成电路，其性能参数和引脚排列请查阅集成电路手册。采用±12V直流电源供电，正弦波信号源用函数
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波形发生器的提供。
2.2 频率-电压转换器电路的组成框图
本课程设计，频率—电压转换器电路的组成框图如图所示：
正 被 测 信号弦 波 过零比较器 方 波 F/V转换器 直 流 反 相 -0.2v ~-2v 反相加法器 Vo=1~5V 0.2~2KHZ 0.2v ~2v 器 参考电压VR 图1 频率-电压转换器电路原理框图
其中被测信号选用函数信号发生器获得（本课程设计的选取信号频率为2KHZ,振幅为6V），比较器选用集成运放、反相器及反相加法器选用集成运放LM311，F/V变换器选用LM331专用集成电路。 2.3
频率-电压转换器电路的原理
频率-电压转换器电路是由比较器，F/V变换器，反相器和反相加法器组成，在各集成电路接通电源正常工作的情况下，输入被测正弦信号，通过比较器电路将正弦信号转换为方波信号后输出，然后再由F/V转换器电路将方波转换为所需要的直流电压信号后输出，反相器电路将输入进来的直流信号转换为原来的反相电压信号输出，输出信号和参考电压VR一起组成加法运算的两个输入电压信号，通过加法运算电路的功能和调节参考电压的大小输出满足条件的直流电压信号。
3. 部分电路的设计
3.1 比较器电路的设计
3.1.1 过零比较器基本电路
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图2 过零比较器的EWB仿真图
3.1.2 过零比较器电路的原理
比较器是一种用来比较输入信号Vi和参考电压VREF的电路。(图2中所示VREF=0) 而输入信号Vi则加在远算放大器的同相输入端。这时，运放处于开环工作状态，具有很高的开环电压增益。当输入信号Vi小于0时，运放将处于负饱和状态，VO=VOL；当输入信号Vi升高至大于0时，运放处于正饱和状态，VO=VOH。当Vi在参考电压VREF附近有微小的减小时，输出电压将从正的饱和值VOH过渡到负的饱和值VOL；若有微小的增加，输出电压又将从负的饱和值VOL过渡到正的饱和值VOH。
3.2 F/V变换器电路的设计
3.2.1 F/V变换器的内部结构图
图3 LM331的内部结构图
3.2.2 F/V变换器的原理
由LM331构成的频率－电压转换电路如图4所示，输入脉冲fi经R1、C1组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻R2、R3分压而加有约2VCC/3的直流电压，反相输入端经电阻R1加有VCC的直流电压。当输入脉冲的下降沿到来时， 经微分电路R1、C1产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的VCC上，当负向尖脉冲大于VCC/3时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源IR对电容CL充电，同时因复零晶体管截止而使电源VCC通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容CL两端电压达到2VCC/3时，定时比较器输出高电平使触发器复位，此时电流开关打向左
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边，电容CL通过电阻RL放电，同时，复零晶体管导通，定时电容Ct迅速放电，完成一次充放电过程。此后，每当输入脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。从前面的分析可知，电容CL的充电时间由定时电路Rt、Ct决定，充电电流的大小由电流源IR决定，输入脉冲的频率越高，电容CL上积累的电荷就越多输出电压(电容CL两端的电压)就越高，实现了频率－电压的变换。按照前面推导V/F表达式的方法，可得到输出电压VO与fi的关系为：
VO=（2.09RlRtCtfi）/ Rs
公式
1
电容C1的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输入比较器，但电容C1小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻RL和电容CL组成低通滤波器。电容CL大些，输出电压VO的纹波会小些，电容CL小些，当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。 3.2.3
F/V变换器的外接电路图
图4 LM331F/V电路图
3.2.4 F/V变换器的外接电路元件参数的确定
由公式1知：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 A~500 A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。 取Rt=6.8kΩ、Ct=0.01uF、RL=100 kΩ，得Rs=14.2 kΩ。
3.3 反相器电路的设计
3.3.1 反相器的基本电路
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图5 反相比例运算电路的EWB仿真图
3.3.2 反相器的原理
反相器是运用集成运算放大器LM311接外接电路组成的具有反相比例放大输入信号的功能的电路。反相比例运算电路的基本电路图如图所示。同相端接电阻R再接地，输入信号Vi通过电阻R1后从反相端输入，经过运算放大器放大后从输出端输出Vo，此时Vo=-(Rf/R1)Vi。
在基本电路中设组件LM311为理想器件，则Vo=-(Rf/R1)Vi，其输入电阻Rif≈R1，R=R1//Rf 。由上式可知，选择不同的电阻比值，就改变了运算放大器的闭环增益Avf. 3.3.3反相器元件参数的确定
由于LM331的负载电阻RL=100kΩ，所以反相器的输入电阻R1=100 kΩ。又由Vo=-(Rf/R1)Vi及反相器的Au=-1得Rf=100 kΩ。在反相器的反向端接入电阻R2= Rf//R1=50kΩ。
3.4 反相加法运算电路的设计
3.4.1 反相加法运算器的基本电路
图6 反相加法运算电路EWB仿真图
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