電壓頻率轉換電路設計報告

湖南文理學院芙蓉學院課程設計報告課程名稱：電子設計制作與工藝實習專業(yè)班級:有動化01班學號（7位）學生姓名：陳鵬指導教師：戴正科完成時間：2013年6月21日緒論隨著電子技術和計算機技術的迅速進步，工業(yè)自動化得到了快速發(fā)展，而在工業(yè)控制領域，檢測傳感器件起著越來越重要的作用，各種先進的傳感器正在大量應用。但是很多傳感器只提供4?20mA或者0?5V的直流模擬信號輸出，而我國煤礦使用的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)大部分只允許接入1?5mA或者200?1000Hz的模擬信號，所以在一般工業(yè)現(xiàn)場使用的傳感器要實現(xiàn)在煤礦的應用，除了考慮防爆因素外，還必須進行輸出模擬信號的轉換。這種輸出信號的轉換如果購買專用的轉換設備，不僅價格高，使用也不是很方便。實際上自己設計制作一些轉換電路也可以方便的實現(xiàn)所需性能。IntroductionAstheelectronictechnologyandtherapidprogressofcomputertechnology,industrialautomationhasbeenrapiddevelopment,andinthefieldofindustrialcontrol,detectionsensorplaysamoreandmoreimportantrole,avarietyofadvancedsensorsarealargenumberofapplications.Butmanysensorsprovideonly4~20ma,or0~5vdcanalogsignaloutput,andtheuseofcoalminesafetymonitoringsystemincoalminesmostonlyallowaccessof1~5maoranalogsignalsfrom200~1000hz,soingeneralindustrialfieldusesensorstorealizetheapplicationincoalmine,inadditiontoconsiderexplosion-prooffactor,alsohastobeoutputanalogsignalconversion.Theoutputsignalconversionifbuydedicatedconversionequipment,notonlythepriceishigh,theuseisnotveryconvenient.Designsomeconversioncircuitcanalsobeconvenienttoyourselfactuallyrequiredfortheimplementationoftheperformance.目錄TOC\o"1-5"\h\z第一章.題目2第二章.引言2\o"CurrentDocument"第三章.系統(tǒng)設計原理內容及要求3\o"CurrentDocument"3.1設計目的3\o"CurrentDocument"3.2設計要求3\o"CurrentDocument"3.3系統(tǒng)設計原理及內容3\o"CurrentDocument"3.3.1設計思想3\o"CurrentDocument"3.3.2電壓/頻率轉換器原理框圖4\o"CurrentDocument"各模塊方案設計5\o"CurrentDocument"積分器的設計方案5\o"CurrentDocument"比較器的設計方案7\o"CurrentDocument"單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設計方案8低通濾波器設計方案10模塊的整合11\o"CurrentDocument"第四章.元件清單13\o"CurrentDocument"第五章.心得體會14\o"CurrentDocument"第六章.參考文獻15第一章.題目電壓/頻率轉換電路的設計第二章?引言本實驗是對信號的產(chǎn)生、處理及變換功能電路的設計，在實際生產(chǎn)和操作中有這廣泛的應用。本設計是在大二學生學習完《電路※《電子線路(線性部分)》《信號與系統(tǒng)》等專業(yè)課程之后進行的，具有可操作性和應用性，學生能夠獨立完成。電路信號的轉換已經(jīng)在電子領域中廣泛應用，如：采樣/保持(S/H)電路、電壓比較電路、V/f(電壓/頻率)轉換器、f/V(頻率/電壓)轉換器、V/I(電壓/電流)轉換器、I/V(電流/電壓)轉換器、A/D(模/數(shù))轉換器、D/A(數(shù)/模)轉換器等?？梢詮谋緦嶒炛袑W習到更多的電路設計的方法，激發(fā)學生的設計興趣和激情，為以后的學習和工作打下良好大的基礎。第三章.系統(tǒng)設計原理內容及要求3.1設計目的、熟悉和應用比較器的構成及設計方法，尤其是遲滯比較器的應用。、熟悉和應用積分器的構成和設計方法，了解電容在其中的工作原理。、熟悉和簡單應用二極管作電子開關的構成和設計方法。、熟悉遲滯比較器與積分器之間的波形轉換。、熟悉掌握運用multisim畫圖、調試和仿真。3.2設計要求、設計一個將直流電壓轉換成給定頻率的矩形波，包括：積分器；電壓比較器。、輸入為直流電壓0~10V、輸出為f=0~500Hz的矩形波。3.3系統(tǒng)設計原理及內容3.3.1設計思想電壓/頻率轉換器的輸出信號f0與輸入電壓V的大小成正比，輸入控制電壓為直流電壓。利用輸入電壓的大小改變電容的充電速度，從而改變振蕩電路的震蕩頻率，故可以采用積分器作為輸入電路。積分器的輸入信號去控制電壓比較器，從電壓比較器6號引腳輸出為矩形脈沖信號，從積分器的6號引腳輸出為三角波信號，兩者頻率相同。將輸出信號的電平通過回路，反饋到積分器，控制積分電容放電，同時運用二極管的單向導電性，做成電子開關，當積分器的電容放電到一點數(shù)值時，開關二極管作用，電源給電容充電。這樣就構成了一個電容反復充電、放電的過程，電路震蕩產(chǎn)生波形，并且輸入電壓的大小決定了電容的充放電的速度，從而進行輸出波形頻率的改變，達到設計目的。3.3.2電壓/頻率轉換器原理框圖如下，圖3.3.2-1圖3.3.2-23.3.4各模塊方案設計積分器的設計方案基本設計方案如下方截圖3圖3.3.4-1積分電路是實現(xiàn)波形變換、濾波等信號處理功能的基本電路，它可以將周期性的方波電壓變換為三角波電壓。當T導通時，積分電路的等效電路如下圖所示，集成運放A同相輸出端的電位為圖3.3.4-2反相輸入端電位七=up1。積分電路的輸出電壓為當T截止時，積分電路的等效電路如下圖所示，Up1、Un1不變，仍為叩3。積分電路的輸出電壓為圖3.3.4-3比較器的設計方案電壓比較器基本設計方案如下方圖圖3.3.4-4比較器的輸出電壓通過反饋網(wǎng)絡加到同相輸入端，形成正反饋，待比電壓V1較加在反相輸入端。比較器雖然有閉合環(huán)路，但由于該環(huán)路引入的是正反饋，電路增益更高，運放依然屬于開環(huán)工作。在實際運用中，利用遲滯特性可以有效地克服噪聲和干擾的影響。例如，在過零檢測器中，若是如正弦電壓上疊加噪聲和干擾，則由于零值附近多次過零，輸出就會出現(xiàn)錯誤階躍。采用遲滯比較器，只要噪聲和干擾的大小在遲滯寬度內，就不會引起錯誤的階躍。A2構成的是反相輸入的滯回比較器，其輸出電壓Uo決定于由R7和穩(wěn)壓管Dz組成的限幅電路，輸出高電平。碩=+U2=6V，輸出低電平Uol=-U2=-6V，閾值電壓U了^為土U型=±r*Rs*r?Uz，當Rw的滑動端56W在最左端時，土U=+3V；當滑動端在左右端時，土U=+2.4Vo過零比較器，如下圖圖3.3.4-5過零比較器的工作原理是將輸入信號與0V地電壓進比較來判定輸出是高電平還是低電平，例如反相輸入端輸入的過零比較器在輸入正弦信號時，在正弦波的正半周時輸出為低電平，而在正弦波的負半周時輸出為高電平。這樣就把正弦波變成矩形波了，當然它還可以將三角波等波形變換為矩形波。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器基本設計方案如下方圖圖3.3.4-6單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)定狀態(tài)，一個暫穩(wěn)態(tài)。在外加脈沖的作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉到一個暫穩(wěn)態(tài)。由于電路中RC延時環(huán)節(jié)的作用，該暫態(tài)維持一段時間又回到原來的穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持的時間取決于RC的參數(shù)值。低通濾波器基本設計方案如下方圖圖3.3.4-7對于不同濾波器而言，每個頻率的信號的減弱程度不同。當使用在音頻應用時，它有時被稱為高頻剪切濾波器，或高音消除濾波器。低通濾波器概念有許多不同的形式，其中包括電子線路(如音頻設備中使用的hiss濾波器、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障(acousticbarriers)、圖像模糊處理等等，這兩個工具都通過剔除短期波動、保留長期發(fā)展趨勢提供了信號的平滑形式。低通濾波器在信號處理中的作用等同于其它領域如金融領域中移動平均數(shù)(movingaverage)所起的作用；低通濾波器有很多種，其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器。3.3.4模塊的整合電壓/頻率如下圖所示為電壓/頻率轉換電路。功能是將直流電壓轉換成頻率與其幅值成正比的矩形波，即用輸出矩形波的頻來表示輸入直流電壓的大小，故電路完成了模擬量到數(shù)字量的轉換。由于輸出電壓頻率收到輸入直流電壓的控制，故也稱之為壓控振蕩器。圖3.3.4-1頻率/電壓圖3.3.4-2

第四章.元件清單元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注R1、R2、R4、R710K40.1元U1、U2UA74120.8元C2、C6、C71UF30.5元R5、R3、R81K30.1元R62K10.1元D11N400770.1元D4、D56.2V20.1元Tr15V19元T1LM781211.2元T2LM791211.2元D2、D320.3元C1、C33300uF20.2元C4、C50.1uF20.2元C8、C9220uF20.2元第五章.心得體會通過這次的課程設計，加強了我的動手能力，提高了我的運用知識解決問題的能力。在本次課程設計中我做的題目是：電壓/頻率轉換電路的設計。在整個方案設計中，我運用了模擬電子的相關知識，包括：積分器、遲滯比較器等模塊電路。在選擇元件方面，我使用了兩個NJM系列的集成芯片、穩(wěn)壓管以及具有單向導通性的晶體二極管，從中我學到了挑選元件的方法和元件的合理構架等書本上沒有的知識。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。沒有知識是從天而降的，沒有獲得不需要付出。是的，我這學期學習了《電子線路（線性部分）》的知識，但是知識繁多，在課堂上不能一一弄懂、弄精，這一次的課程設計給了我機會，讓我更加深刻的對模電知識有了深刻的學習和認識。在我拿到題目時，當時我覺得這題目很簡單，沒有什么大不了的，不就是一個電壓/頻率的轉換器帶電路嘛，還能難住我？但在這兩個星期的設計過程中，我面紅耳赤，慚愧的無地自容，剛開始我連積分器如何使用，如何與比較器進行耦合構成壓控振蕩器的這樣的知識都不了解！再后來我靜下心來決定好好的學習學習，亡羊補牢，為時不晚啊。我去了圖書館進行資料的查閱，整整一天什么事都沒有做就在圖書館四樓理工閱覽室查閱資料。隨著我研究、思考的深入，對不明白的原理和方法漸漸的弄清楚之后，我開始了電路圖的設計，心理不免有點小小的成就感?？稍谠O計的過程中有出現(xiàn)了新的問題：能夠設計出無源的方波振蕩器，可就是如何加入電源，使之成為一個壓控振蕩器呢！我又一次的進入了迷茫之中……繼續(xù)圖書館查閱資料，隨著思考的越來越深入，突然在一天午覺時，終于有了頓悟：對，做一個開關，導通時電容放電，不導通時，電容充電，而電容的充電速度的快慢將直接控制輸出方波的頻率的改變，同時電容的充電速度直接由外接電源來解決！想到這里，我的整個設計思路和框圖已經(jīng)完全出來，萬事具備就欠東風啦！我無比的興奮、激動，為我自己感到高興，成就感油然而生……接下來就進入了電路圖的繪制階段，值得慶幸的是在這次課程設計之前，我就已經(jīng)學會了使用電子繪圖和仿真軟件multisim。在繪圖和仿真階段，進行的相當?shù)捻樌?，對電阻和電容?shù)值的調試也是很順利的。設計過程如一條蜿蜒曲折的小徑，你永遠不知道下一個拐彎后有什么等待這你。這一次的課程設計的全過程，讓我體會到的是設計的艱辛，但更多的是在設計過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的喜悅，我開始越來越喜歡上電子設計了。第六章:參考文獻電子技術基礎（模擬部分）第五版主編：康華光高等教育出版社（2005）電子技術基礎（數(shù)字部分）第五