電壓頻率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)報(bào)告

湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：電子設(shè)計(jì)制作與工藝實(shí)習(xí)專業(yè)班級(jí):有動(dòng)化01班學(xué)號(hào)（7位）學(xué)生姓名：陳鵬指導(dǎo)教師：戴正科完成時(shí)間：2013年6月21日緒論隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化得到了快速發(fā)展，而在工業(yè)控制領(lǐng)域，檢測(cè)傳感器件起著越來越重要的作用，各種先進(jìn)的傳感器正在大量應(yīng)用。但是很多傳感器只提供4?20mA或者0?5V的直流模擬信號(hào)輸出，而我國(guó)煤礦使用的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大部分只允許接入1?5mA或者200?1000Hz的模擬信號(hào)，所以在一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的傳感器要實(shí)現(xiàn)在煤礦的應(yīng)用，除了考慮防爆因素外，還必須進(jìn)行輸出模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。這種輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換如果購(gòu)買專用的轉(zhuǎn)換設(shè)備，不僅價(jià)格高，使用也不是很方便。實(shí)際上自己設(shè)計(jì)制作一些轉(zhuǎn)換電路也可以方便的實(shí)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(shè)計(jì)原理內(nèi)容及要求3\o"CurrentDocument"3.1設(shè)計(jì)目的3\o"CurrentDocument"3.2設(shè)計(jì)要求3\o"CurrentDocument"3.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及內(nèi)容3\o"CurrentDocument"3.3.1設(shè)計(jì)思想3\o"CurrentDocument"3.3.2電壓/頻率轉(zhuǎn)換器原理框圖4\o"CurrentDocument"各模塊方案設(shè)計(jì)5\o"CurrentDocument"積分器的設(shè)計(jì)方案5\o"CurrentDocument"比較器的設(shè)計(jì)方案7\o"CurrentDocument"單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)計(jì)方案8低通濾波器設(shè)計(jì)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(huì)14\o"CurrentDocument"第六章.參考文獻(xiàn)15第一章.題目電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)第二章?引言本實(shí)驗(yàn)是對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生、處理及變換功能電路的設(shè)計(jì)，在實(shí)際生產(chǎn)和操作中有這廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)是在大二學(xué)生學(xué)習(xí)完《電路※《電子線路(線性部分)》《信號(hào)與系統(tǒng)》等專業(yè)課程之后進(jìn)行的，具有可操作性和應(yīng)用性，學(xué)生能夠獨(dú)立完成。電路信號(hào)的轉(zhuǎn)換已經(jīng)在電子領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，如：采樣/保持(S/H)電路、電壓比較電路、V/f(電壓/頻率)轉(zhuǎn)換器、f/V(頻率/電壓)轉(zhuǎn)換器、V/I(電壓/電流)轉(zhuǎn)換器、I/V(電流/電壓)轉(zhuǎn)換器、A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換器、D/A(數(shù)/模)轉(zhuǎn)換器等。可以從本實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)到更多的電路設(shè)計(jì)的方法，激發(fā)學(xué)生的設(shè)計(jì)興趣和激情，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下良好大的基礎(chǔ)。第三章.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理內(nèi)容及要求3.1設(shè)計(jì)目的、熟悉和應(yīng)用比較器的構(gòu)成及設(shè)計(jì)方法，尤其是遲滯比較器的應(yīng)用。、熟悉和應(yīng)用積分器的構(gòu)成和設(shè)計(jì)方法，了解電容在其中的工作原理。、熟悉和簡(jiǎn)單應(yīng)用二極管作電子開關(guān)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)方法。、熟悉遲滯比較器與積分器之間的波形轉(zhuǎn)換。、熟悉掌握運(yùn)用multisim畫圖、調(diào)試和仿真。3.2設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)一個(gè)將直流電壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)原理及內(nèi)容3.3.1設(shè)計(jì)思想電壓/頻率轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)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(hào)去控制電壓比較器，從電壓比較器6號(hào)引腳輸出為矩形脈沖信號(hào)，從積分器的6號(hào)引腳輸出為三角波信號(hào)，兩者頻率相同。將輸出信號(hào)的電平通過回路，反饋到積分器，控制積分電容放電，同時(shí)運(yùn)用二極管的單向?qū)щ娦?，做成電子開關(guān)，當(dāng)積分器的電容放電到一點(diǎn)數(shù)值時(shí)，開關(guān)二極管作用，電源給電容充電。這樣就構(gòu)成了一個(gè)電容反復(fù)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(jìn)行輸出波形頻率的改變，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。3.3.2電壓/頻率轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)積分器的設(shè)計(jì)方案基本設(shè)計(jì)方案如下方截圖3圖3.3.4-1積分電路是實(shí)現(xiàn)波形變換、濾波等信號(hào)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(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，積分電路的等效電路如下圖所示，集成運(yùn)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(dāng)T截止時(shí)，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(shè)計(jì)方案電壓比較器基本設(shè)計(jì)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(luò)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(yùn)放依然屬于開環(huán)工作。在實(shí)際運(yùn)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(cè)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(huì)出現(xiàn)錯(cuò)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(nèi)，就不會(huì)引起錯(cuò)誤的階躍。A2構(gòu)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(dāng)Rw的滑動(dòng)端56W在最左端時(shí)，土U=+3V；當(dāng)滑動(dòng)端在左右端時(shí)，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(hào)與0V地電壓進(jìn)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(hào)時(shí)，在正弦波的正半周時(shí)輸出為低電平，而在正弦波的負(fù)半周時(shí)輸出為高電平。這樣就把正弦波變成矩形波了，當(dāng)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(shè)計(jì)方案如下方圖圖3.3.4-6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。低通濾波器基本設(shè)計(jì)方案如下方圖圖3.3.4-7對(duì)于不同濾波器而言，每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時(shí)，它有時(shí)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(shè)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(gè)工具都通過剔除短期波動(dòng)、保留長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)提供了信號(hào)的平滑形式。低通濾波器在信號(hào)處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動(dòng)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?yàn)V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(zhuǎn)換電路。功能是將直流電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(hào)型號(hào)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(huì)通過這次的課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我的動(dòng)手能力，提高了我的運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。在本次課程設(shè)計(jì)中我做的題目是：電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。在整個(gè)方案設(shè)計(jì)中，我運(yùn)用了模擬電子的相關(guān)知識(shí)，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(gè)NJM系列的集成芯片、穩(wěn)壓管以及具有單向?qū)ㄐ缘木w二極管，從中我學(xué)到了挑選元件的方法和元件的合理構(gòu)架等書本上沒有的知識(shí)。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。沒有知識(shí)是從天而降的，沒有獲得不需要付出。是的，我這學(xué)期學(xué)習(xí)了《電子線路（線性部分）》的知識(shí)，但是知識(shí)繁多，在課堂上不能一一弄懂、弄精，這一次的課程設(shè)計(jì)給了我機(jī)會(huì)，讓我更加深刻的對(duì)模電知識(shí)有了深刻的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)。在我拿到題目時(shí)，當(dāng)時(shí)我覺得這題目很簡(jiǎn)單，沒有什么大不了的，不就是一個(gè)電壓/頻率的轉(zhuǎn)換器帶電路嘛，還能難住我？但在這兩個(gè)星期的設(shè)計(jì)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(jìn)行耦合構(gòu)成壓控振蕩器的這樣的知識(shí)都不了解！再后來我靜下心來決定好好的學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)，亡羊補(bǔ)牢，為時(shí)不晚啊。我去了圖書館進(jìn)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(duì)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(shè)計(jì)，心理不免有點(diǎn)小小的成就感。可在設(shè)計(jì)的過程中有出現(xiàn)了新的問題：能夠設(shè)計(jì)出無源的方波振蕩器，可就是如何加入電源，使之成為一個(gè)壓控振蕩器呢！我又一次的進(jìn)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(shí)，終于有了頓悟：對(duì)，做一個(gè)開關(guān)，導(dǎo)通時(shí)電容放電，不導(dǎo)通時(shí)，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(shí)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(gè)設(shè)計(jì)思路和框圖已經(jīng)完全出來，萬事具備就欠東風(fēng)啦！我無比的興奮、激動(dòng)，為我自己感到高興，成就感油然而生……接下來就進(jìn)入了電路圖的繪制階段，值得慶幸的是在這次課程設(shè)計(jì)之前，我就已經(jīng)學(xué)會(huì)了使用電子繪圖和仿真軟件multisim。在繪圖和仿真階段，進(jìn)行的相當(dāng)?shù)捻樌?，?duì)電阻和電容數(shù)值的調(diào)試也是很順利的。設(shè)計(jì)過程如一條蜿蜒曲折的小徑，你永遠(yuǎn)不知道下一個(gè)拐彎后有什么等待這你。這一次的課程設(shè)計(jì)的全過程，讓我體會(huì)到的是設(shè)計(jì)的艱辛，但更多的是在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了。第六章:參考文獻(xiàn)電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）第五版主編：康華光高等教育出版社（2005）電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）第五