基于Multisim的壓頻轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)與仿真

方案比較

壓頻轉(zhuǎn)換電路的目標(biāo)是將電壓的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化。電壓/頻率變換器的輸出信號(hào)頻率f與輸入電壓u的大小成正比。設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換頻電路，就得選擇好的脈沖輸出電路，脈沖電路的輸出采用555芯片，這樣方便設(shè)計(jì)，成本又低。555集成電路開(kāi)始是作定時(shí)器應(yīng)用的，所以叫做555定時(shí)器或555時(shí)基電路。但后來(lái)經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)，它除了作定時(shí)延時(shí)控制外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及計(jì)量檢測(cè)。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號(hào)源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。由于它工作可靠、使用方便、價(jià)格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中，555集成電路內(nèi)部有幾十個(gè)元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等，電路比較復(fù)雜，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。

對(duì)于555芯片的配置，可以將其配置成多諧振蕩器，又可以配置成施密特觸發(fā)器。

方案一

將555配置成多諧振蕩器

方案一論證

從F≈1.43／（RA+2RB）C可以看出，只要改變RA或RB的大小就可

以改變頻率。

可以在RA端加個(gè)三極管，通過(guò)其工作在可變電阻區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)電流控制電阻的變化，在其基極放置電阻，就能將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，從而由電壓控制頻率。

方案二

將555芯片配置成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

方案二論證

由其工作波形可知，Vi控制這Vo輸出，改變Vi的斜率就可改變Vo 的頻率。

所以的設(shè)計(jì)一個(gè)能夠輸出鋸齒波的電路。由此想到用運(yùn)算放大器和Vo的反饋設(shè)計(jì)積分電路，來(lái)產(chǎn)生鋸齒波電路。

方案確定

通過(guò)上面對(duì)兩種方案的詳細(xì)論述，本次設(shè)計(jì)選擇第二套設(shè)計(jì)方案。通過(guò)之前章節(jié)的分析可知第一套方案雖然簡(jiǎn)單，但難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，精度和范圍沒(méi)有第二套方案好。

系統(tǒng)總體方案框圖如下：

單元電路設(shè)計(jì)

積分電路設(shè)計(jì)

積分電路是使輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的時(shí)間積分值成比例的電路。最簡(jiǎn)單的積分電路由一個(gè)電阻R和一個(gè)電容C構(gòu)成，如圖（a）所示。若時(shí)間常數(shù)RC足夠大，外加電壓時(shí)，電容C上的電壓只能慢慢上升。在t<

本次設(shè)計(jì)中采用運(yùn)算放大器LM741設(shè)計(jì)積分電路。LM741是一種應(yīng)用非常廣泛的通用型運(yùn)算放大器。由于采用了有源負(fù)載，所以只要兩級(jí)放大就可以達(dá)到很高的電壓增益和很寬的共模及差模輸入電壓范圍。本電路采用內(nèi)部補(bǔ)償。電路比較簡(jiǎn)單不易自激，工作點(diǎn)穩(wěn)定，使用方便，而且設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)電路，不易損壞。LM741可應(yīng)用于各種數(shù)字儀表及工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備中。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在外加脈沖的作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。由于電路中RC延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，該暫態(tài)維持一段時(shí)間又回到原來(lái)的穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持的時(shí)間取決于RC的參數(shù)值。

其主要特點(diǎn)如下：

①電路在沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)作用時(shí)處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。

②在外來(lái)觸發(fā)信號(hào)作用下，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài);

③由于電路中RC延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，暫穩(wěn)態(tài)不能長(zhǎng)保持，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，電路會(huì)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間僅取與RC參數(shù)值有關(guān)。

本次設(shè)計(jì)采用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)計(jì)，具體的電路原理圖如下：

恒流源電路設(shè)計(jì)

恒流源電路可采用開(kāi)關(guān)三極管?T，穩(wěn)壓二極管?Dz?等元件構(gòu)成。具體電路如下所示。當(dāng)?V1’為?0?時(shí)，D2，D3?截止，D4?導(dǎo)通，所以積分電容通過(guò)二極管?放電。當(dāng)?V1’為?1?時(shí)，D2，?D3?導(dǎo)通，D4?截止，輸入信號(hào)對(duì)積分電容充電。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端得到矩形脈沖。

Multisim仿真

系統(tǒng)總體仿真圖如圖所示，

運(yùn)行仿真后可以通過(guò)調(diào)節(jié)積分電路左側(cè)的可調(diào)電源滑動(dòng)條來(lái)調(diào)節(jié)輸入電壓。同時(shí)雙擊示波器就可以看到波形。當(dāng)滑動(dòng)條在左側(cè)時(shí)，此時(shí)輸入的電壓很小，通過(guò)示波器可以看到輸出的方波頻率很低。

當(dāng)我們將滑動(dòng)條向右調(diào)節(jié)后，可以從示波器上明顯的看出輸出信號(hào)的頻率變大了。

當(dāng)把滑動(dòng)條調(diào)到最右側(cè)，此時(shí)輸入電壓為10V，通過(guò)示波器可以看到，輸出信號(hào)的周期為100us，即頻率為10K。

　　審核編輯：湯梓紅