кр эмпт

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра БТС

Курсовая РАБОТА

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника»

Тема: РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЕ -ЧАСТОТА

Студент гр. 3502	_______________	Зубов М.А.
Преподаватель	_______________	Корнеева И.П.

Санкт-Петербург

2025

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Студент: Зубов М.А.

Группа 3502

Тема работы: Разработать преобразователь напряжение – частота на ОУ

Исходные данные:

Исходные данные для расчета	Варианты
	01	02	03
Диапазон изменения амплитуды сигналов, В	1 – 3	3-7	7-12
Погрешность преобразования, %	5	5	5
Амплитуда выходного сигнала, В	5	9	12
Сопротивление нагрузки, Ом	100	400	600
Напряжение источника питания, В	±5	±10	±15

Дата выдачи задания: 11.11.2025

Дата сдачи отчета: 17.12.2025

Дата защиты отчета: 17.12.2025

Студент		Зубов М.А.
Преподаватель		Корнеева И.П.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение………………………………………………………………………..4

2. Теоретические сведения………………………………………………….…….5

3. Моделирование схемы в Micro-Cap…………………………………….……...8

4. Сборка схемы на NI ELVIS……………………………………………....……14

5.Заключение……………………………………………………………………..17

6.Список использованных источников…………………………………………18

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы: изучить схему преобразователя напряжение – частота и проверить ее работу на практике.

Задачи:

1. Изучить теоретический принцип работы схемы.

2. Произвести расчет параметров элементов схемы

3. Снять необходимые характеристики схемы, установить соответствие опытных данных теоретическим

4. Сделать вывод о проделанной работе

Преобразователи напряжение-частота являются ключевыми элементами в системах аналого-цифрового преобразования, измерительной техники, где требуется точное и линейное преобразование аналогового сигнала в последовательность импульсов. Принцип их действия основан на пропорциональной зависимости выходной частоты от входного напряжения, что обеспечивает высокую помехоустойчивость при передаче данных на расстояние. Данные устройства находят применение в цифровых вольтметрах, частотных модуляторах и системах сбора информации. В курсовой работе рассматривается анализ и расчёт параметров преобразователя напряжение-частота, исследуются его основные характеристики.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Триггер Шмитта

На рис. 1.1 представлена схема триггера Шмитта.

Рисунок 1.1 – Схема триггера Шмитта

На рис. 1.2 представлена передаточная и временная характеристики. При уровне входного сигнала Uвх ниже нижнего порога срабатывания Uпор.н, на выходе триггера Шмитта – тоже, соответственно, напряжение низкого уровня U0, близкое к нулю.

Рисунок 1.2 – Передаточная и временная характеристики

В процессе нарастания напряжения входного сигнала Uвх, его значение сначала достигает нижней границы области гистерезиса Uпор.н, нижнего порога, при этом на выходе как и прежде ничего не изменяется. И даже когда входное напряжение Uвх заходит в область гистерезиса, и в течение некоторого времени находится внутри нее, то на выходе все равно ничего не происходит – на выходе по-прежнему напряжение низкого уровня U0.

Но как только уровень входного напряжения Uвх сравнивается с верхним порогом области гистерезиса Uпор.в (области срабатывания) – выход триггера скачком переходит в состояние высокого уровня напряжения U1. Если входное напряжение Uвх будет продолжать нарастать дальше (в пределах допустимого для микросхемы), выходное напряжение Uвых изменяться уже не будет, так как достигнуто одно из двух устойчивых состояний — высокий уровень U1.

Теперь, допустим, что входное напряжение Uвх стало снижаться. При возврате в область гистерезиса изменений на выходе не происходит, уровень по-прежнему высокий U1. Но как только напряжение входного сигнала Uвх сравняется с нижней границей области гистерезиса Uпон.н – выход триггера Шмитта скачком перейдет в состояние с напряжением низкого уровня U0. На этом основана работа триггера Шмитта.

1.2 Интегратор

Интегратором называется устройство, временная зависимость напряжения на выходе которого пропорциональна интегралу по времени входного напряжения. Его схема может быть выполнена по схеме инвертирующего усилителя при замене резистора в цепи обратной связи на конденсатор C, как показано на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 – Схема интегратора на ОУ

В схеме интегратора входной сигнал Uвх подается на инвертирующий входной зажим; неинвертирующий входной зажим заземлен. Входной сигнал формируется через входной резистор R1. Интегратор аналогичен инвертирующему усилителю за исключением одной особенности: вместо резистора в цепи обратной связи у него имеется конденсатор. Этот конденсатор C1 называется конденсатором цепи обратной связи.

МОДЕЛИРОАНИЕ СХЕМЫ В MICRO-CAP

Рисунок 2 – Схема ПНЧ

Входное напряжение Vin = 7B, Vs – напряжение на узле инвертурующего входа Х1.

Из-за земли на узле неинвертурующего входа Х1 Vs = 0, значит

Ток   течёт через интегратор Х1 и заряжает/разряжает конденсатор C2. При идеальном ОУ ток входа пренебрежимо мал, поэтому ток через конденсатор Iс≈ .

Скорость изменения напряжения на конденсаторе (а значит, на узле out1):

При

На компаратор X2 на неинвертирующем входе фиксированное опорное 7,5В на инвертирующем — сигнал out1.

Когда   растёт и пересекает     снизу вверх, выход X3 переключается из +13,5 В в −13,5;

Когда    падает и снова пересекает    сверху вниз, X3 возвращается в +13,5 В.

Пусть пилообразное напряжение на out1 колеблется между уровнями    и    , а порог     находится между ними.

Определим два приращения:

• ΔV↑=    -    — сколько надо набрать при росте, чтобы дойти от минимального уровня до порога;

• ΔV↓=    -    — сколько надо сбросить при спаде, чтобы дойти от максимума до порога.

Время роста и спада:

t↑= t↓=

- это полный ход пилы:

Тогда

R4 и R5 это делитель напряжения, пусть каждый будет 10кОм для формирования напряжения 7,5В.

В преобразователе частота выходного сигнала линейно зависит от напряжения входного сигнала , поэтому формулу для можно записать в виде:

,

где – коэффициент пропорциональности между частотой и входным напряжением.

Рисунок 3 – Схема ПНЧ в среде Micro-Cap c значениями элементов

Рисунок 4 – Генерация прямоугольного сигнала с входным напряжением 7В

Рисунок 5 – Генерация прямоугольного сигнала с входным напряжением 5В

Рисунок 6 – Генерация прямоугольного сигнала с входным напряжением 3В

СБОРКА СХЕМЫ НА NI ELVIS

Рисунок 7 – Экспериментальная установка

Рисунок 8 – генерация прямоугольного сигнала с входным напряжением 7В

Рисунок 9 – генерация прямоугольного сигнала с входным напряжением 5В

Рисунок 10 – генерация прямоугольного сигнала с входным напряжением 3В

Расчёт погрешности:

Моделирование:

Эксперимент:

Осциллограммы, полученные в ходе эксперимента, демонстрируют стабильную генерацию прямоугольного сигнала с чётко выраженными фронтами. Наблюдается линейный рост частоты выходных импульсов при увеличении входного напряжения, что подтверждает правильную работу схемы ПНЧ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы была разработана, смоделирована и экспериментально проверена схема преобразователя напряжение–частота на операционных усилителях. Теоретический анализ подтвердил линейную зависимость выходной частоты от входного напряжения.

Результаты моделирования в Micro-Cap показали хорошее соответствие расчётным значениям, тогда как эксперимент на NI ELVIS выявил некоторые отклонения, связанные с допусками реальных компонентов и погрешностями измерений. Расчётная погрешность преобразования составила около 4,6%, что не превышает порог в 5%, схема сохраняет линейность и работоспособность в заданном диапазоне напряжений 3-7 В.

Основными источниками погрешности стали разброс номиналов элементов, нестабильность пороговых напряжений компаратора. Работа подтвердила возможность применения данной схемы в измерительных и преобразовательных устройствах при условии использования прецизионных компонентов и калибровки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Форум по электронике. URL: https://forum.cxem.net/topic/20053

2. Радио Лоцман. URL: https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=500899

3. Хабр. URL: https://habr.com/ru/articles/112692/