東華大學(xué)線性VF轉(zhuǎn)換課程設(shè)計(jì)報(bào)告2014

東華大學(xué)線性V/F轉(zhuǎn)換課程設(shè)計(jì)報(bào)告信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院目錄一、設(shè)計(jì)概述 1二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1（1）設(shè)計(jì)任務(wù) 1（2）性能指標(biāo)要求 1三、設(shè)計(jì)方案選擇 21．方案一及框圖 22.方案二及框圖 23.方案原理優(yōu)缺點(diǎn)比較 3四、設(shè)計(jì)思路 31、輸入信號：電源分壓電路 42、阻抗變換：電壓跟隨器 43、基準(zhǔn)源 54、積分電路 55、脈沖輸出電路 66、開關(guān)電路 77、總電路圖 7五、計(jì)算機(jī)仿真 8六、實(shí)際組裝與調(diào)試 91.電路器件表 92.總輸出波形 103.實(shí)際連接電路 114.組裝和調(diào)試過程 12七、數(shù)據(jù)分析及改進(jìn) 13（1）數(shù)據(jù)處理 13（2）數(shù)據(jù)分析 13（3）根據(jù)數(shù)據(jù)分析所得改進(jìn)方法 14八、心得與體會 15九、參考文獻(xiàn) 16十、附錄 16一、各器件引腳圖 17二、手繪電路圖 17

一、設(shè)計(jì)概述線性V/F轉(zhuǎn)換器是壓控振蕩器中完成外加電壓和輸出頻率線性變換的部分。通過本次課程設(shè)計(jì)，應(yīng)在了解線性V/F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、積分電路以及脈沖電路等構(gòu)成整個(gè)小系統(tǒng)，通過改變輸入電壓，實(shí)現(xiàn)對信號輸入頻率的線性變換。二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求（1）設(shè)計(jì)任務(wù)選取基本集成放大器LF353、555定時(shí)器、三極管、電阻、電容和穩(wěn)壓管等元件，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡易線性V/F轉(zhuǎn)換器。首先在multism仿真軟件上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和原理仿真，選取合適電阻參數(shù)，通過輸出波形的頻率測試線性V/F轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行情況。其次在硬件設(shè)計(jì)平臺上搭建電路，并進(jìn)行調(diào)試，通過示波器觀測電路的實(shí)際輸出波形。最后將電路實(shí)際輸出波形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。（2）性能指標(biāo)要求電源電壓：±12V；輸入信號：直流信號0～10V可變；輸出信號：頻率為0～10kHz對應(yīng)；精度：誤差小于±30Hz；波形要求：脈沖寬度20～40μs、0～10V矩形波。三、設(shè)計(jì)方案選擇1．方案一及框圖（１）方案一：用壓頻轉(zhuǎn)換器件（AD650）與單片機(jī)（51或msp430系列）結(jié)合使用。原理圖如下：單片機(jī)頻率測量壓頻轉(zhuǎn)換（AD650）輸入電壓信號單片機(jī)頻率測量壓頻轉(zhuǎn)換（AD650）輸入電壓信號外圍相關(guān)數(shù)字及模擬電路外圍相關(guān)數(shù)字及模擬電路原理簡述如下：輸入信號輸入壓頻轉(zhuǎn)換器件，得到一定頻率信號，采用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器來測量頻率，并對結(jié)果通過外圍電路進(jìn)行調(diào)控進(jìn)而得到非常理想的電壓--頻率的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系。2.方案二及框圖（２）方案二，利用反向積分器，以及555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，三極管模擬控制開關(guān)搭建電路。原理圖如下：原理簡述如下:直流電壓信號經(jīng)過阻抗變換后送到積分器輸入端，得到三角波，以控制脈沖輸出，脈沖的高低電平來控制反饋中的模擬開關(guān)閉合與斷開。通過設(shè)置參數(shù)使積分器輸出過零時(shí)觸發(fā)脈沖輸出電路開始輸出Tw寬度脈沖，周而復(fù)始形成振蕩，得到輸出頻率與輸入信號呈線性關(guān)系。3.方案原理優(yōu)缺點(diǎn)比較方案一，在10KHZ頻率范圍內(nèi)，AD650的線性誤差度僅為20ppm(滿量程的0.002%)，精度符合要求，但是相關(guān)器件太貴，且沒有相關(guān)器材，所以不選擇此方案。方案二，555單穩(wěn)態(tài)，以及模擬開關(guān)（三極管），353積分電路搭建的電路，實(shí)現(xiàn)的壓頻轉(zhuǎn)換在10Khz范圍內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的轉(zhuǎn)換精度，大約在幾HZ左右（干擾過大除外），且器件均為常見的簡易器件，電路搭建方便，易于操作和理解。在滿足設(shè)計(jì)任務(wù)的條件下，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，具有較高的性價(jià)比，故選擇此方案二。四、設(shè)計(jì)思路本實(shí)驗(yàn)線性V/F轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，主要由積分電路，脈沖輸出電路，反饋控制電路組成?？傠娐返脑O(shè)計(jì)：通過阻抗變換得到相應(yīng)輸入電壓，并輸入積電路得到脈沖輸出電路的電壓控制信號（鋸齒波），經(jīng)由脈沖來控制反饋中的三極管的導(dǎo)通和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)通過基準(zhǔn)源來調(diào)控積分時(shí)間的長短，來進(jìn)一步調(diào)控脈沖輸出（矩形波）的電壓控制信號（鋸齒波）如此周而復(fù)始，形成震蕩，實(shí)現(xiàn)電壓到頻率的線性轉(zhuǎn)換。1、輸入信號：電源分壓電路電源電壓為12v,電壓輸出范圍為0～10v，所以選擇一個(gè)R0=2k?的電阻與一個(gè)10k?的滑動變阻器串聯(lián)，電壓可調(diào)最大值為10v,可以滿足0～10v所有值，符合要求。2、阻抗變換：電壓跟隨器共集電路的輸入高阻抗，輸出低阻抗的特性，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級的放大電路更好的工作。電壓隔離器輸出電壓近似輸入電壓幅度，并對前級電路呈高阻狀態(tài)，對后級電路呈低阻狀態(tài)，因而對前后級電路起到“隔離”作用。基本原理還是利用它的輸入阻抗高和輸出阻抗低之特點(diǎn),即輸出電壓不受后級電路阻抗影響。一個(gè)對前級電路相當(dāng)于開路，輸出電壓又不受后級阻抗影響的電路當(dāng)然具備隔離作用，即使前、后級電路之間互不影響。為保證輸入電壓0～10v不變，則必須保證其滑變的傳入電路阻抗不變，加入一個(gè)電壓跟隨器，可以使后續(xù)電路不影響滑變的阻抗，使輸入電阻保持不變，反饋電路中接一電阻，以平衡輸入端，提高跟隨精度。3、基準(zhǔn)源使用一個(gè)3v的穩(wěn)壓管，接入電路即可，能提供一個(gè)-3v的穩(wěn)定電壓。選擇R10為1k?電阻保護(hù)穩(wěn)壓管。4、積分電路利用集成運(yùn)放可以構(gòu)成精度高、線性好的壓控振蕩器。積分電路輸出電壓變化的速率與輸入電壓的大小成正比，如果積分電容充電使輸出電壓達(dá)到一定程度后，使它迅速放電，然后輸入電壓再給它充電，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，其振蕩頻率與輸入電壓成正比，即壓控振蕩器。積分電路采用運(yùn)放構(gòu)成的反相積分電路，運(yùn)放的同相端接入10k?的失調(diào)電阻，反向端同樣串入一個(gè)5.1k?的電阻，然后再與10k?滑變串接，保證其對稱性，減少失調(diào)電流引起的誤差?；瑒幼冏杵骺梢哉{(diào)節(jié)輸出鋸齒波的周期，二極管起到保護(hù)運(yùn)放的作用。5、脈沖輸出電路單穩(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。脈寬Tw=1.1RC，R7=3k?,C2=0.01uf由計(jì)算得Tw=33us,此電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，當(dāng)積分電壓過零時(shí)觸發(fā)單穩(wěn)（VC≤1/3VCC）。輸出寬度一定的脈沖去控制積分器。所以當(dāng)U0=0V時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電壓：Vc=1/3VCC=4v,則Vc=R2/(R2+R3)=1/3VCC從而推導(dǎo)出R2與R3的關(guān)系：R2：R3=1：2，取R2為1k?,則R3為2k?。6、開關(guān)電路晶體三極管的實(shí)際開關(guān)特性決定于管子的工作狀態(tài)。晶體三極管輸出特性三個(gè)工作區(qū)，即截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。如果要使晶體三極管工作于開關(guān)的接通狀態(tài)，就應(yīng)該使之工作于飽和區(qū)；要使晶體三極管工作于開關(guān)的斷開狀態(tài)，就應(yīng)該使之工作于截止區(qū)，發(fā)射極電流iE=0，這時(shí)晶體三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開關(guān)斷開。積分電路先對基準(zhǔn)源進(jìn)行定時(shí)線性積分到一定電壓高度Uh，觸發(fā)脈沖輸出F控制積分電路自動切換到對輸入信號反向積分，到積分電壓過零時(shí)積分控制電路又轉(zhuǎn)為對基準(zhǔn)源積分。周而復(fù)始形成震蕩，產(chǎn)生脈沖輸出。電路采用二次積分方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)恒定寬度正脈沖輸出時(shí)，信號反饋到輸入端控制開關(guān)閉合。此時(shí)積分器對-Ur進(jìn)行正向積分，而積分電壓Uc的高度Uh與基準(zhǔn)電壓以及充放電常數(shù)有關(guān)。一旦輸出脈沖消失，開關(guān)S截止，積分器對Ui反向積分直到過零。相關(guān)參數(shù)的計(jì)算：由設(shè)計(jì)任務(wù)分析得到，R8與R9是偏置電阻，其必須滿足當(dāng)脈沖輸出電路為低電平（即為“0”）時(shí)，三極管不導(dǎo)通，即是b和e電位差小于管壓降0.7，Ve=-3v，則Vb的取值為小于-2.3v，所以此時(shí):Vb=-R8/(R8+R9)*Vcc。設(shè)R8=R9=1k?,則此時(shí)，Vb=-R8/(R8+R9)*Vcc=-6v<-2.3v,滿足條件，脈沖輸出電路輸出電壓為高電平（即為“1”）時(shí)，此時(shí)滿足Vb>-2.3v，Vb=R8/(R8+R9)*(Vi+Vcc)=-1V>-2.3V，滿足條件，三極管導(dǎo)通，進(jìn)而可以通過一定輸出寬度的脈沖可以控制積分器的積分動作。對于R10的選?。簽榱朔乐沽魅敕€(wěn)壓管的電流過大，接入一個(gè)限流電阻，取R10=1k?。7、總電路圖五、計(jì)算機(jī)仿真multism仿真圖像：仿真調(diào)試相關(guān)事項(xiàng)：滑動變阻器Rw2主要調(diào)節(jié)整個(gè)電路的周期，對脈沖寬度影響很小，使其周期滿足條件要求，電阻R3主要來調(diào)節(jié)脈沖寬度，使脈沖調(diào)到要求范圍內(nèi)。為了滿足脈沖的寬度在20us～40us，因?yàn)門w=1.1RC,R3為單穩(wěn)觸發(fā)器的6、7腳所接電阻，取電容C=0.01uf時(shí)，電阻R7=3k?時(shí)即可滿足。為了要滿足產(chǎn)生脈沖的頻率和輸入電壓誤差在所要求的范圍內(nèi)（30Hz），通過調(diào)節(jié)滑動變阻器Rw2可逐步實(shí)現(xiàn)誤差達(dá)到理想的范圍內(nèi)，觀察仿真波形和周期選擇滿足條件的阻值?？紤]到流過穩(wěn)壓管的電流范圍，三極管基集電阻設(shè)定為R10=1K歐左右時(shí)可以滿足。為了保護(hù)運(yùn)放，在反向積分電路中加入了二極管。使積分輸出端為0時(shí)，反向截至。（6）如果三角波的幅值沒達(dá)到要求，可以通過調(diào)節(jié)三極管集電極的電阻來控制產(chǎn)生的鋸齒波的幅值。六、實(shí)際組裝與調(diào)試1.電路器件表元器件名稱個(gè)數(shù)電阻，電容若干直流穩(wěn)壓電源1個(gè)萬用表1個(gè)雙蹤示波器1個(gè)集成運(yùn)放LF3531個(gè)555定時(shí)器1個(gè)三極管90131個(gè)穩(wěn)壓二極管（3v）1個(gè)導(dǎo)線若干10k滑動變阻器2個(gè)2.總輸出波形（1）Ui=5V（2）Ui=10v脈寬、頻率與理想狀態(tài)基本保持一致，符合要求。3.實(shí)際連接電路4.組裝和調(diào)試過程（1）器件參數(shù)的選擇經(jīng)過各個(gè)模塊參數(shù)的詳細(xì)計(jì)算，基本可以確定電阻和電容等器件參數(shù)的選取。電路圖中C取0.01uf、Rw1、Rw2為10千歐滑動變阻器、R0為2千歐、R6為5.1千歐，R1為1千歐，R2為2千歐，R3為3千歐，R7、R8、R9、R10都為1千歐。（2）電路連接電路連接過程需要特別細(xì)心，我曾因?yàn)殡娐愤B接錯(cuò)誤而花了一下午的時(shí)間找出錯(cuò)誤，最后采取分塊檢查錯(cuò)誤的方法改正了電路，即刻出現(xiàn)穩(wěn)定的脈沖波。檢查積分器時(shí)，用函數(shù)發(fā)生器輸入方波，能出三角波，則積分器工作，反之，則不工作。檢查555時(shí)，輸入一定幅值的矩形波，如果555能輸出矩形波，則正常工作，反之則不工作。（3）調(diào)節(jié)誤差使用設(shè)定好參數(shù)的電阻，但出的波形頻率卻和仿真結(jié)果有很大差距，因此需要自己調(diào)節(jié)Rw2找出合適阻值，不能完全依照仿真結(jié)果。調(diào)節(jié)滑動變阻器使當(dāng)輸入信號為10v時(shí)，輸出信號頻率非常接近10kHz，然后改變輸入電壓，觀察輸出頻率是否滿足誤差范圍，不滿足則反復(fù)調(diào)節(jié)Rw2，直到滿足30Hz誤差以內(nèi)。七、數(shù)據(jù)分析及改進(jìn)（1）數(shù)據(jù)處理周期t電壓V第一次測量的數(shù)據(jù)/kHz第二次測量的數(shù)據(jù)/kHz平均值/kHz理想頻率值/kHz誤差值/Hz10V10.00510.00210.003510．03.59V9.0089.0039.00559.05.58V8.0048.0028.0038.037V7.0037.0047.00357.03.56V6.0025.9986.0006.005V4.9994.9924.9955.054V3.9943.9933.9944.063V2.9972.9962.9973.032V2.0021.9982.0002.001V1.0000.99750.99871.02.3注：電壓均為跟隨器的輸入電壓。（2）數(shù)據(jù)分析作電壓和頻率圖像，可以求出頻率和電壓的線性關(guān)系。如圖可以看出，基本為線性關(guān)系。由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出：本次課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的電路基本上將誤差控制在了幾HZ的誤差以內(nèi)，在誤差允許范圍內(nèi)基本符合了要求，這些誤差很有可能是來自電源不穩(wěn)定,測量讀數(shù)不準(zhǔn)，測量儀器顯示精度，導(dǎo)線電阻不可忽略，接觸不良等方面造成的誤差，雖然會有部分因器件，導(dǎo)線之間相互作用產(chǎn)生的感抗，容抗，引起的誤差，由以上數(shù)據(jù)看出但其對精度影響并不大，所以總體來說設(shè)計(jì)電路基本符合實(shí)驗(yàn)要求。（3）根據(jù)數(shù)據(jù)分析所得改進(jìn)方法從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中反應(yīng)出設(shè)計(jì)電路的精度基本符合要求，線性基本滿足條件如果想繼續(xù)改進(jìn)，則有如下所述改進(jìn)方法：在不同輸入電壓的情況下，加強(qiáng)調(diào)節(jié)失調(diào)電阻，使得線性誤差進(jìn)一步減??；對整個(gè)電路的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，獲得滿意的效果；在電源的正負(fù)極，555單穩(wěn)態(tài)8號腳和地之間接一個(gè)大電容（本實(shí)驗(yàn)為470uf），排除雜音信號。在積分電路反相端加二極管可保護(hù)運(yùn)放。八、心得與體會在實(shí)驗(yàn)過程中，我學(xué)會了熟練操作multism、EWB仿真軟件，并培養(yǎng)了我的動手能力。本實(shí)驗(yàn)原理和電路不復(fù)雜，可過程并不太順利，比如在仿真時(shí)，遇到了沒有波形、波形失真等問題，在同學(xué)的幫助下，我發(fā)現(xiàn)是仿真電路連接有問題，改正錯(cuò)誤后便立刻輸出正確的波形，而參數(shù)的稍稍改動，就能解決仿真圖像失真問題。此外我發(fā)現(xiàn)理論和實(shí)際存著很大的差別，在調(diào)整誤差的過程中，multism上的輸出頻率比較精確，而且波動起伏大，一直難以穩(wěn)定下來，于是我花了一天的時(shí)間條件調(diào)節(jié)仿真電路的電阻參數(shù)。而在實(shí)際電路里，選擇理論計(jì)算得到的參數(shù)，便很容易地調(diào)到了誤差范圍內(nèi)的輸出頻率，因此仿真電