F-V轉(zhuǎn)換電路模擬電路課程設(shè)計(jì)

1、線性F/V轉(zhuǎn)換姓名：陳志豪班級(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附：電

2、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、電容等元器件，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易

3、 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)方案與論證、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

4、頻率成正比例，且為線性關(guān)系。具體分析如下。在單穩(wěn)電路輸出脈沖信號(hào)的高度uh及寬度tw確定的條件下，平均輸出電壓uo可表示為其中，Ti為輸入信號(hào)的周期。由.二及上式可得T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)系二、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0 10KHZ正弦交流信號(hào)。2) 交流信號(hào)放大電路因提供給下一階段一

5、一轉(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，下面給岀二 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)R仁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 5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)放儀表放大器的結(jié)構(gòu)。圖3三運(yùn)放儀表

6、放大器電路圖其中令Rfi = 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，以下給岀幾種方案，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)uiK士65551ot（b）（a）電路圖（b）波形圖圖7由555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

7、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：VJ = RCln專一 =RCIti3 帶 1.1RC%-此由上式可知，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的取值范圍為幾百歐到幾兆歐， 外接電容C的取值范圍為幾百皮法到幾 百微法，相應(yīng)tw為幾微秒到幾分鐘。一般建議 tw在2030卩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)脈沖的寬度小于輸岀脈沖的寬度tw ，否則應(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，

8、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)大于輸岀脈沖寬度，而RC微分電路的特點(diǎn)是能突岀反映輸入信號(hào)的跳變部分，其時(shí)間常數(shù)t = 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。R1R2ViWvC1VA4h&+C2 vVr圖8二階RC低通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

9、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：R1Rf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)換電路的輸岀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)保持輸入與輸岀的線性關(guān)系。第三章、單元電路設(shè)計(jì)與分析一、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0 10KHZ該設(shè)計(jì)選用的是正弦波，波形如圖所示：、交

10、流信號(hào)放大電路以下是我的仿真電路圖：衣 FCJJ.5V第一級(jí)放大倍數(shù)：Aw=-6.2747, Avi=68。因此放大倍數(shù)Av=-426.68.在我的仿真電路中：Rf仁24K, Rp=9.1K, Rf=68K, R=1K;仿真結(jié)果如下：夕示潼器-XSC2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:：R8：:2kQ：:A2SHDI?Ml -VIRTUAL 代G5:士伽FZBI5554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:1R1呷QIBJ-T- on, t ft r-on 1ST1 - “ b p

11、I rH o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:VGCR12IkO=：tOnF-TOC-j-OPT-raT3LI03M OTO-仿真波形如下圖：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 Ro Ui=V TRI , U C=V TRI=V DIS 。單穩(wěn)電路輸岀的高電平寬度（暫態(tài)時(shí)間）由電容的充電時(shí)間常數(shù)和Vrefl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，

12、始終為Vcco但這個(gè)過程被終止在電容電壓等于 Vref1時(shí)。Uc（0+）=0V ; Uc（g ）=Vcc； Uc（Tpo）=Vref1 ; t=RC; Tpo=RCInVcc/（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,貝U: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100200Q,電容的容值選擇要偏大些。實(shí)際操作過程中對(duì)于輸岀波形的精度調(diào)節(jié)，可以通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值來

13、調(diào)節(jié)。我設(shè)計(jì)的濾波電路仿真圖如下： R13：:1kQ：:R14 VvV- 初kQ1kQ：傭R1504 C5豐豐:：1：0DuF-：:VIRTUAL廠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:仿真波形如下圖所示:自路總圖 - 1 -A+.91-:2L-Ht:哲=LC.M宣JalLU歲丁第四章、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)致或者岀現(xiàn)放大波形的飽和或截止失真，或者岀現(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8V20 V之間，即放大倍數(shù)在4

14、00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)：二&；：，因此可以固定電容值 0.01卩f，通過減小 R直來減小時(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)間常數(shù)很小。(3 )最終輸岀的波形，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，即輸岀波形突然下移。 出現(xiàn)這一問題的原因可能是單穩(wěn)態(tài)電路的tw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范圍內(nèi)。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(mV293746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 岀電路之后也會(huì)發(fā)生各種接觸不良導(dǎo)致的波形岀不來與誤差，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遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，實(shí)踐起來與理論相差的特別多。通過不斷地調(diào)試，并且與同