F-V轉(zhuǎn)換電路模擬電路課程設(shè)計(jì)

1、線性 F/V 轉(zhuǎn)換：志豪班級(jí)：電信 1208 班 學(xué)號(hào)： 120900812 桌號(hào)：36 號(hào)目錄第一章、設(shè)計(jì)概述與要求 1一、設(shè)計(jì)概述 1二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1（一）設(shè)計(jì)任務(wù) 1（二）設(shè)計(jì)要求 1第二章、設(shè)計(jì)方案與論證 1一、設(shè)計(jì)原理 1二、原理框圖 2三、單元電路方案論證 2第三章、單元電路設(shè)計(jì)與分析 8一、輸入信號(hào) 8二、交流信號(hào)放大電路 8三、波形轉(zhuǎn)換電路 9四、微分電路 10五、單穩(wěn)電路 11六、濾波電路 13七、直流放大電路 13第四章、電路的組夠與調(diào)試 16一、遇到的主要問題和解決方案 16二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 16第五章 總結(jié) 16第六章 儀器、儀表、元器件介紹 17參考文獻(xiàn)： 18

2、附：電路總圖 錯(cuò).誤 !.未 定.義 書. 簽。第一章、設(shè)計(jì)概述與要求、設(shè)計(jì)概述線性 F/V 轉(zhuǎn)換在很多場(chǎng)合均有應(yīng)用，如渦流計(jì)量計(jì)、脈沖轉(zhuǎn)速表、調(diào)頻遙測(cè)技術(shù)中恢復(fù)原始信號(hào) 等。它把輸入的頻率信號(hào)直接變換成直流電壓輸出信號(hào)，并且此直流電壓輸出與輸入信號(hào)的頻率成正 比。通過本次課程設(shè)計(jì)，應(yīng)在了解線性 F/V 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)原理及構(gòu)成的基礎(chǔ)上，利用集成運(yùn)算放大器、 單穩(wěn)電路、濾波電路以及信號(hào)放大電路等構(gòu)成整個(gè)小系統(tǒng)，設(shè)計(jì)完成一個(gè)線性 F/V 轉(zhuǎn)換器，通過改變 輸入信號(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流輸出電壓的線性變換。、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求一）設(shè)計(jì)任務(wù)選取基本集成放大器 LF353、 555 定時(shí)器、二極管和電阻、電容等元

3、器件，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易 的線性 V/F 轉(zhuǎn)換器。首先，在 EWB 軟件平臺(tái)環(huán)境下進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和原理仿真，選取合適的電路參數(shù)， 通過輸出波形的直流電壓值測(cè)試線性 F/V 轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行情況。其次，在硬件平臺(tái)上搭建電路，并進(jìn)行 電路調(diào)試，通過數(shù)字萬用表觀測(cè)電路的實(shí)際輸出電壓值。最后，將該實(shí)際電壓值與理論分析和仿真結(jié) 果進(jìn)行比較，分析產(chǎn)生誤差的原因，并提出改進(jìn)方法。二）設(shè)計(jì)要求1、 輸入頻率為 010kHz 、幅度為 20mV （峰峰值）的交流信號(hào)。2 、 線性輸出 010V 的直流信號(hào)。3、 轉(zhuǎn)換絕對(duì)誤差小于 20mV （平均值）。4、 1kHz 時(shí)的紋波 uopp 小于 50mV 。第二章、設(shè)計(jì)

4、方案與論證一、設(shè)計(jì)原理F/V 轉(zhuǎn)換電路輸出的直流電壓幅值與輸入信號(hào)的頻率成正比例，且為線性關(guān)系。具體分析如下。其中， Ti 為輸入信號(hào)的周期。由 及上式可得其中，uH和 fw為常數(shù)。由此可知，輸出直流電壓和輸入信號(hào)的頻率呈線性關(guān)系。、原理框圖輸入信號(hào)經(jīng)過放大和 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成合適的方波信號(hào)；然后通過單穩(wěn)電路，形成寬度和高度相 同的脈沖信號(hào)，但周期不同；再經(jīng)過濾波電路轉(zhuǎn)換成直流，最終通過信號(hào)放大，即為所要求獲得的電壓信 號(hào)。圖 1 原理框圖三、單元電路方案論證1 ) 輸入信號(hào)輸入信號(hào)由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，峰峰值為 20mv ，頻率為 010KHZ，正弦交流信號(hào)。2 ) 交流信號(hào)放大電路因提

5、供給下一階段轉(zhuǎn)換電路的電信號(hào)幅度單位為“伏”級(jí)，該放大電路可采用運(yùn)放構(gòu)成的兩級(jí) 放大器。應(yīng)在保證輸出波形不失真的前提下，滿足下一個(gè)子電路的觸發(fā)電平需要。一般來說，后一級(jí) 的放大倍數(shù)要高于前一級(jí)的。該放大器應(yīng)具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能和較強(qiáng)的共模抑制能力，下面給出二運(yùn) 放和三運(yùn)放儀表放大器的典型電路圖，作為參考。(1) 二運(yùn)放儀表放大器圖 2 所示為一個(gè)基本二運(yùn)放儀表放大器的電路圖：圖2 二運(yùn)放儀表放大器電路圖當(dāng) R1=R4， R2=R3 時(shí)，其差模增益可表示為：注：共模信號(hào)輸入端和輸入 ui 處于相同的干擾源情況下，能有效抑制共模干擾對(duì)輸出的影響。(2) 三運(yùn)放儀表放大器下圖所示為一個(gè)基本三運(yùn)放儀表放

6、大器的結(jié)構(gòu)。圖3 三運(yùn)放儀表放大器電路圖其中令 Rf1=Rf2其放大倍數(shù)如下公式所示：高共模一直的關(guān)鍵是電阻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電阻匹配時(shí)，共模抑制能力較強(qiáng)。其中三運(yùn)放儀表放大器較為常見，常用做心電圖儀的前置放大電路。3） 轉(zhuǎn)換電路若希望將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)換成矩形波，可采用多種方法進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，以下給出幾種方案， 供參考：（1） 過零比較器過零比較器用來確定前一階段放大電路輸出電壓過零的時(shí)刻。其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，當(dāng) ui 0 時(shí)， 比較器輸出 uo 為低電平；當(dāng) ui<0 時(shí)，比較器輸出 uo 為高電平。圖4 過零比較器過零比較器的優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高；其缺點(diǎn)是，抗干擾能力差。輸入信

7、號(hào)過零點(diǎn)時(shí)，容 易產(chǎn)生抖動(dòng)，造成輸出信號(hào)的反復(fù)變化，不能夠輸出穩(wěn)定的矩形波。（2） 由 555 芯片構(gòu)成的施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器又稱為電平觸發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，對(duì)于緩慢變化的信號(hào)仍然適用，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到 某一電壓值時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生突變。當(dāng)其輸入信號(hào)上升達(dá)到正向閾值電壓uT+ 或下降達(dá)到負(fù)向閾值電壓 uT- 時(shí)，輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)。將 555 定時(shí)器的閾值輸入端（ 6 腳）和觸發(fā)輸入端（ 2 腳）連在一 起，便構(gòu)成了施密特觸發(fā)器，如圖 5 （a）所示。當(dāng)輸入如圖（ b）所示的三角波信號(hào)時(shí)，則從施密特 觸發(fā)器的 uo 端可得到方波輸出。（ a）電路圖（ b）波形圖圖 5 由555 定時(shí)器構(gòu)成的施密

8、特觸發(fā)器如果將上圖中 5 腳外接控制電壓 uic，改變 uic的大小，可以調(diào)節(jié)回差電壓的圍。采用施密特觸發(fā)器 這種具有遲滯特性的轉(zhuǎn)換電路，可以有效的提高其抗干擾能力。另外有一點(diǎn)值得注意，因 555 定時(shí)器的工作電源是正極性單電源，不能處理負(fù)極性信號(hào)，因此需 要在此電路前端加上一個(gè)二極管，將之前的負(fù)極性信號(hào)濾除后，再作為 555 的輸入信號(hào)。其示意圖如圖 6 所示。圖 6 濾除負(fù)極性信號(hào)電路4 ） 單穩(wěn)電路7 所示：?jiǎn)畏€(wěn)電路的作用是將前一模塊輸出的矩形波信號(hào)轉(zhuǎn)換成高度和寬度一定的脈沖信號(hào)。單穩(wěn)電路可由 555 定時(shí)器外接一些阻容器件構(gòu)成，其典型電路及工作波形如圖a）電路圖b）波形圖圖7 由555

9、定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸入負(fù)觸發(fā)脈沖加在低電平觸發(fā)端（ 2腳），以下降沿觸發(fā)。圖 7（a）中 R、C 是外接的定時(shí)元件，電路的輸出脈沖寬度 tw 等于電容電壓 uc從 0 上升到 Vcc所需的時(shí)間，故有：由上式可知，該電路輸出脈沖的寬度 tw ，僅取決于電路本身的參數(shù)（ R、C 參數(shù)），而與電源電壓、觸發(fā)脈沖無關(guān)。通常外接電阻 R 的取值圍為幾百歐到幾兆歐，外接電容 C的取值圍為幾百皮法到 幾百微法，相應(yīng) tw為幾微秒到幾分鐘。一般建議 tw在20 30 s之間，當(dāng)然脈沖信號(hào)越窄越好，但是受到的干擾信號(hào)也會(huì)越大。值得注意的是，這種單穩(wěn)電路要求輸入觸發(fā)脈沖的寬度小于輸出脈沖的寬度 tw ，否則

10、應(yīng)在 ui 和觸 發(fā)器輸入端（ 2 腳）之間外加 RC 微分電路。由于前一模塊轉(zhuǎn)換電路的矩形波頻率，是由初始的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)頻率決定的，可能此時(shí) 負(fù)脈沖的寬度會(huì)大于輸出脈沖寬度，而 RC 微分電路的特點(diǎn)是能突出反映輸入信號(hào)的跳變部分，其時(shí) 間常數(shù) = RC 很小，根據(jù)此特點(diǎn)，可把信號(hào)中跳變部分轉(zhuǎn)變?yōu)榧饷}沖而加以利用。（可加三極管構(gòu)成反相器對(duì)微分波形進(jìn)行整形）5） 濾波電路為了獲得紋波較小的直流信號(hào)，可以采用二階 RC 低通濾波器來實(shí)現(xiàn)，其電路結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。 該電路由電阻和電容構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的衰減。二階低通濾波器是由 2 個(gè)一階低通濾波器串聯(lián) 得到的。圖 8 二階 RC 低通

11、濾波電路 這類阻容濾波電路的濾波效能較高，能兼降壓限流作用，適用于負(fù)載電阻較大，電流較小及要求 紋波系數(shù)很小的情況。6 ） 直流信號(hào)（同相比例）放大電路 當(dāng)信號(hào)經(jīng)過單穩(wěn)電路和濾波電路后，幅度較小，故應(yīng)采用放大電路線性放大該信號(hào)，以滿足設(shè)計(jì) 要求。如常見的由運(yùn)放構(gòu)成的同相比例放大電路就能實(shí)現(xiàn)，其典型電路如圖9所示：其增益可表示為：注：電路中必須加量程調(diào)節(jié)電路。7） 注意事項(xiàng)（1） 線性放大倍數(shù)必須滿足轉(zhuǎn)換要求。（2） 轉(zhuǎn)換電路的輸出脈沖高度與寬度必須選擇合理且保持恒定。（3）正確地選擇濾波電路濾波時(shí)間常數(shù)。4） 調(diào)試時(shí)應(yīng)保持輸入與輸出的線性關(guān)系。第三章、單元電路設(shè)計(jì)與分析輸入信號(hào)輸入信號(hào)由函數(shù)發(fā)

12、生器產(chǎn)生，峰峰值為20mv ，頻率為 010KHZ，該設(shè)計(jì)選用的是正弦波，波形如圖所示：、交流信號(hào)放大電路以下是我的仿真電路圖：第一級(jí)放大倍數(shù)： Av1=-6.2747 ， Av 1=68 。因此放大倍數(shù) Av=-426.68.在我的仿真電路中： Rf1=24K ，Rp=9.1K， Rf=68K， R=1K；仿真結(jié)果如下：放大后的峰峰值為 8.514V三、波形轉(zhuǎn)換電路我設(shè)計(jì)的波形轉(zhuǎn)換電路如下：仿真波形如下圖所示：其中濾除負(fù)極性信號(hào)電路采用 2k 電阻和二極管 9013 組成四、微分電路我設(shè)計(jì)的微分電路仿真圖如下：仿真波形：（下跳變窄脈沖信號(hào)）五、單穩(wěn)電路我設(shè)計(jì)的單穩(wěn)電路仿真圖如下：仿真波形如下

13、圖：脈寬 tw=28.409us單穩(wěn)觸發(fā)器是在輸入信號(hào)激勵(lì)下，產(chǎn)生脈沖寬度恒定的輸出信號(hào)。 555 構(gòu)成的單穩(wěn)觸發(fā)器，外部激勵(lì) 從出發(fā)端 TRI（2腳）輸入，閾值輸入 THR（6 腳）和放電管的集電極開路輸出端 DIS（7 腳）相連，并接到電容 C 即 電阻 R。 Ui=V TRI , U C=V TRI=V DIS 。單穩(wěn)電路輸出的高電平寬度（暫態(tài)時(shí)間）由電容的充電時(shí)間常數(shù)和 Vref1 決定。在單穩(wěn)電路的暫態(tài)過 渡過程中，電容充電的初始值為 0V，始終為 Vcc。但這個(gè)過程被終止在電容電壓等于Vref1 時(shí)。Uc（0+）=0V；Uc（）=Vcc；Uc（Tpo）=Vref1 ； t=RC ；

14、Tpo=RClnVcc/（Vcc-Vref1） 。改變電容充電時(shí)間常數(shù) RC或 555定時(shí)器的控制輸入電平 Vcon（控制 Vref1）,都可以調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度 Tpo。若不控制 Vcon,Vref1=2/3Vcc, 則：tw=RCln3 1.1RC六、濾波電路濾波電路的作用在于能夠把輸入信號(hào)的交流部分濾除，留下直流部分。這里的R1 阻值在 100200 ，電容的容值選擇要偏大些。實(shí)際操作過程中對(duì)于輸出波形的精度調(diào)節(jié)，可以通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值來 調(diào)節(jié)。我設(shè)計(jì)的濾波電路仿真圖如下：仿真波形如下圖所示：1kHz 時(shí)的紋波噪聲約為 5mV七、直流放大電路我所設(shè)計(jì)的直流放大電路仿真圖如圖所示：放

15、大倍數(shù)仿真波形如下圖所示：路總圖第四章、電路的組夠與調(diào)試一、遇到的主要問題和解決方案（1）第一次設(shè)計(jì)交流放大電路時(shí)參數(shù)選擇不合理， 導(dǎo)致或者出現(xiàn)放大波形的飽和或截止失真， 或者出現(xiàn)通 過后一級(jí)施密特觸發(fā)器后方波失真。經(jīng)過計(jì)算后，得出放大電壓的峰峰值最好介于 8V20V 之間，即放大 倍數(shù)在 400 倍到 1000 倍之間。而放大倍數(shù)越高，越容易出現(xiàn)放大波形本身的失真和不穩(wěn)定。因此最終選 擇 400500 倍左右的放大倍數(shù)。（2）微分電路的窄脈沖時(shí)間常數(shù)略大。由于時(shí)間常數(shù)，因此可以固定電容值 0.01 f，通過減小 R值，來減小時(shí)間常數(shù)。微分后的窄脈沖直接影響后一級(jí)單穩(wěn)電路，因此需要微分脈沖的時(shí)

16、間常數(shù)很小。（3）最終輸出的波形，隨頻率 f 的增大，會(huì)逐漸增大，但到達(dá) 2V 左右，發(fā)生跳變，即輸出波形突然下移。 出現(xiàn)這一問題的原因可能是單穩(wěn)態(tài)電路的t w太大，經(jīng)過排查，發(fā)現(xiàn)我設(shè)計(jì)的單穩(wěn)電路tw為128 微秒，而理想的 tw 應(yīng)該在 2040 微秒之間，因此我改變了單穩(wěn)電路中 R 的值，使之減小了 10 倍，滿足要求。（4）紋波噪聲過大，在濾波最后一級(jí)添加了滑動(dòng)變阻器，使紋波噪聲降到合適的圍。二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄頻率（ HZ）1K5K10K電壓（ V）1.0015.01010.000紋波噪聲293746（mV）第五章 總結(jié)收獲本次試驗(yàn)，能將書本上的只是和實(shí)際結(jié)合，連接電路進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)際中，遇到了相當(dāng)多的問題，連出電路之后也會(huì)發(fā)生各種接觸不良導(dǎo)致的波形出不來與誤差，了解了自己在這些方面的不足。在理論知識(shí) 方面，加深了對(duì)運(yùn)放器的理解與運(yùn)用，還有各種電腦模擬設(shè)計(jì)軟件的操作，為將來的實(shí)踐打下了基礎(chǔ)。我理解了光理論掌握的好是