模擬電路課程設計報告電壓頻率轉換

1、模擬電路課程設計報告設計課題： 電壓頻率轉換 專業(yè)班級： 學生姓名： 學號指導教師： 設計時間： 電壓頻率轉換一、設計任務與要求1將輸入的直流電壓（10組以上正電壓）轉換成與之對應的頻率信號。2用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計電路所需的正負直流電源（12v）。（提示：用鋸齒波的頻率與滯回比較器的電壓存在一一對應關系，從而得到不同的頻率.）二、方案設計與論證(一)電源部分單相電壓經過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉換成穩(wěn)定的直流電壓。直流電源的輸入為220v的電網電壓，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網電壓的有效值相差較大，因而需要通過電源變壓器降壓，變壓器副邊電壓通過整流電路從

2、交流電壓轉換為直流電壓，即將正弦波電壓轉換為單一方向的脈動電壓，再通過低通濾波電路濾波，減小電壓的脈動，使輸出電壓平滑，但由于電網電壓波動或負載變化時，其平均值也將隨之變化，則在濾波電路后接個穩(wěn)壓電路，使輸出直流電壓基本不受電網電壓波動和負載變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。在此次設計中則用220v、50hz的交流電通過電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路利用橋式整流電路實現(xiàn)正、負12v直流電壓。方框圖如下：圖 10.1.1直流穩(wěn)壓電源的方框圖電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路負載電網電壓 原理：直流穩(wěn)壓電源通過變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓來實現(xiàn)。1）通過電源變壓器降壓后，再對220v、50

3、hz的交流電壓進行處理，變壓器副邊電壓有效值決定于后面電路的輸出電壓。2)變壓器副邊電壓通過整流電路將正弦波電壓轉換為單一方向的脈動電壓，一般整流電路用單相半波整流和單相橋式整流，但單相半波電路僅試用于整流電流較小，對脈動要求不高的場合，所以此次采用單相橋式整流電路。3）經過整流電路的電壓仍含有交流分量，再為了減小電壓的脈動，則接一濾波電路，輸出電壓平穩(wěn)。圖如下：脈動直流電壓濾波直流電壓4）交流電壓通過整流、濾波后雖然變?yōu)榻涣鞒煞州^小的直流電壓，但是當電網波動或者負載變化時，它的值也會變動，則通過穩(wěn)壓電路使輸出直流電壓基本不受電網電壓波動和負載變化的影響，從而得到更好的穩(wěn)定行。方案一、單相半波

4、整流電路設變壓器的副邊電壓有效值為u，則其瞬時值u=sinwt。在u的正半周期，a點位正，b點位負，二極管外加反向電壓，因而處于導通狀態(tài)。電流從a點流出，經過二極管d和負載r流入b點， u= usinwt（wt=0）。在u的負周期，b點為正，a點為負，二極管外加反向電壓，因而處于截至狀態(tài)，u=0（wt=2）。負載r的電壓和電流都具有單一方向脈動的特性，圖1為單相半波整流電路：圖1，圖2為變壓器副邊u、輸出電壓u（也是輸出電流和二極管的電流）、二極管端電壓的波形。圖2方案二、橋式整流電路設變壓器的副邊電壓有效值為u，則其瞬時值u=sinwt。當u為正半周期時，電流由a點流出，經d、r、d流入b點

5、，如圖3所示，因而負載電阻r上的電壓等于變壓器副邊，d和、d管承的反向電壓為- u。圖3這樣，由于d、 d和d、 d兩對二極管交替導通，致使負載r上在u的整個周期內都有電流通過，而且方向不變，輸出電壓u=usinwt。圖4所示為單相橋式整流電路各部分的電壓和電流的波形。圖4 單相橋式整流電路的波形的波形圖id1 id2id3 id4由于第一種方案即單相半波整流電路只利用了交流電壓的半個周期，所以輸出電壓低，脈動大，效率低。所以采取第二中方案即單相橋式整流電路。（二）電壓轉換為頻率物理量通過傳感器轉換成電信號后，經預處理變換為合適的電壓信號，然后去控制壓控振蕩器電路，再用壓控震蕩電路的輸出驅動計

6、數(shù)器，使之在一定時間間隔內記錄矩形波的個數(shù)，并用數(shù)碼顯示。它的功能是將輸入直流電壓轉換成頻率與其數(shù)值成正比的輸出電壓?？偟牧鞒倘缦聢D所示：計數(shù)顯示傳感器預處理電路壓控震蕩器方案一、電荷平衡式電路電荷平衡式電壓頻率轉換電路由積分器和滯回比較器組成，它的原理如圖5所示，圖中s為電子開關，受輸出電壓的控制。設ui；u的高電平為u,u的低電平為u；當u= u時s閉合，當u= u時s斷開。若初態(tài)u= u，s斷開，積分器對輸入電流i積分，且i= ur，u隨時間逐漸上升；當增大到一定數(shù)值時，u從u躍變?yōu)閡，使s閉合，積分器對恒流源電流i與i的差值積分，且i與i的差值近似為i，u隨時間下降；因為ii，所以u下

7、降速度遠大于其上升速度；當u減小到一定數(shù)值時，u從u躍變?yōu)閡，回到初態(tài)。由于t約等于t1。方案二、復位式壓控電路電路由積分器和單限比較器組成，s為模擬電子開關，可由晶體管或場效應管組成。設輸出電壓u為高電平s斷開,u的低電平時s閉合。當電源接通后，由于電容c上電壓為零，即u=0，使u= u，s斷開，積分器對u積分，u逐漸減小；一旦u過基準電壓-u，u將從u躍變?yōu)閡，導致s閉合，使c迅速放電至零，即u=0，從而u從u躍變?yōu)閡；s又斷開重復上述過程。如下圖：將方案一與方案二進行比較可知，方案二中，輸出顯示的頻率不僅決定于ui還與uref有關，相對方案一而言，操作起來更復雜，而且方案一的電路，滿刻度

8、輸出頻率高，線性誤差小，精確度高，要雙電源供電，但正好有正負12v電壓，從以上來看，選擇方案一即電荷平衡式。三、單元電路設計與參數(shù)計算.（一）電源部分1、整流電路原理圖如下： （1）工作原理1.當 u2 0時，電流由+流出，經d1、rl、d2流入-。2.當 u2 0時，電流由-流出，經d3、rl、d4流入+。這樣，由于d1，d3和d2，d4兩對二極管交替導通，致使負載電阻rl在整個周期內都有電流通過。波形圖如上。（2）輸出電壓平均值 uo(av) 和輸出電流的平均值io(av) （3）脈動系數(shù)（4）二極管的選擇在單相橋式整流電路中，因為每只二極管只在變壓器副邊電壓的半個周期通過電流，所以每只二

9、極管的平均電流只有負載電阻上電流平均值的一半。即二極管承受的最大反向電壓：考慮到電網波動的范圍為正負10%，在實際選用二極管時，應至少留10%的余地，選擇最大整流平均電流if和最高反向工作電壓u分別為2、濾波電路電容濾波電路是最常見也是最簡單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個電容即構成電容濾波電路，如下圖所示： 理想情況下的波形和考慮整流電路內阻時的波形濾波電容容量較大，因而一般均采用電解電容器。在接線時要注意電解電容的正負極。電容濾波電路利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑。理想情況下的波形和考慮整流電路內阻時的波形分別如上。濾波原理以單向橋式整流電容濾波為例進行分析，其電路如圖所示

10、。當u上升，u大于電容上的電壓u，u對電容充電，u= u u時間常數(shù)t = (r / rint ) c（?。┊攗下降, u小于電容上的電壓。二極管承受反向電壓而截止。電容c通過r放電，u按指數(shù)規(guī)律下降，時間常數(shù)t = r c。放電時間常數(shù)t遠遠大于充電時間常數(shù)t。濾波效果取決于放電t，其值愈大，濾波效果愈好，即，電容愈大，負載電阻愈大，濾波后輸出電壓愈平滑，并且其平均值愈大。波形圖如下：（1） 輸出電壓平均值設整流電路內阻較小而r較大，電容每次充電均可達到u的峰值，然后按rc放電的起始斜率直線下降，經rc交于橫軸，且在0.5個周期處的數(shù)值為最小值u，則輸出平均值為 當負載開路時，即r無窮大時，

11、當rc（35)t/2時考慮電網電壓波動，電容的耐壓值應滿足rc=（35）t /2即，應大于1.2u。（3）脈動系數(shù) s 3穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路整流濾波電路輸出電壓不穩(wěn)定的主要原因：負載變化、電網電壓波動。（1）利用三端穩(wěn)壓7812、7912來構成穩(wěn)壓電路圖如下：若輸出電壓較高，接在7912、7812接一保護二極管 d，一般為in4001到4003，此常用in4001，以保護集成穩(wěn)壓器內部的調整管。lm7812和lm7912的輸出電壓分別了正負12伏，lm7812是1為輸入端，2為公共端，3為輸出端，lm7912是1為公共端，2為輸入端，3為輸出端。圖中c4和c3是用于抵消輸入線較長時的電感效應，

12、以防止電路產生自激振蕩，其容量較小一般小于1微法。圖中電容c5和c6是用于消除輸出電壓中高頻噪聲，可取小于1微法的電容，也可以去幾微法或幾十微法的電容，一邊輸出較大的脈沖電流。（二）功能部分如圖（a）所示，兩個集成運放輸出電壓的波形如圖（b）所示，根據(jù)對鋸齒波的分析可知，圖（a）所示的閾值電壓為 u=.u在圖（b）波形中的t時間段，u對u的線性積分，其起始值為- u，終了值+ u，因而t應滿足t=.當rr時，振蕩周期tt，故振蕩頻率 f=u振蕩頻率與輸入電壓成正比 圖（a） 圖(b)四、總原理圖及元器件清單電源部分：1電壓轉換頻率：波形如下：雙蹤示波器、萬用表（模擬或數(shù)字）、交流毫伏表各一臺，

13、自己焊的電路，導線若干。2元件清單元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注變壓器220v/15v1個單價5元電容c1、c2耐壓值50v3300uf2個單價0.5元電容c3、c4、c5、c6耐壓值50v0.47uf4個單價0.3元電容c7、c8耐壓值50v220uuf2個單價0.1元電位器r110 k1個單價0.8元電位器r210 k1個單價0.8元二極管d1、d2、d3、d4、d5、d6in4007耐壓值1000v，i=1a6個單價0.1元穩(wěn)壓芯片lm7812uo=12v、io=100ma1個單價1.0元穩(wěn)壓芯片lm7912uo=-12v、io=100ma1個單價1.0元集成運放ua741aod=6510

14、0、k=70902個單價1.0元底座2個單價0.4元電阻r110k1個單價0.1元電阻r210k1個單價0.1元電阻r310k1個單價0.1元電阻r410k1個單價0.1元電位器r5100k1個單價0.8元電阻r62k1個單價0.1元電容c10.1uf1個單價0.3元保險管1個單價0.5元穩(wěn)壓管in4735穩(wěn)12v2個單價0.1元二極管1n4148耐壓值1000v，i=1a1個單價0.1元萬能板大號1個單價2.8元萬能板中號1個單價1.5元發(fā)光二極管led1.5v2.0v，10ma20ma2個單價0.3元總費用21.6元五、安裝與調試1、電源部分安裝畫好電路圖，據(jù)此來焊電路。首先，將電路布好局

15、，從左到右，先不裝變壓器，用萬用表來判別二極管的p、n短，再將小二極管焊好，然后依據(jù)圖中電容的正負將電容焊好，通過查閱資料了解7812、7912的管腳分配情況，知道7812的1端是輸入，2端是公共端，3端是輸出端，而7912是1端為公共端，2端為輸入端，3為輸出端，以防搞錯，按照正確的方式將它們焊好，在將后面的幾個電容焊好，其次用萬用表判斷發(fā)光二極管的好壞后，再將其焊進去，最后將其他的一次焊好，并把變壓器的三端按正確的方式焊好，并將其固定在電路板上。檢查電路板看是否有虛焊或沒焊好的點，將其焊好。最終安裝完成。（2）調試 將焊好的電路帶到實驗室，將變壓器插在電源上，發(fā)現(xiàn)燈不亮，后經過檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)

16、光二極管都被短路，用剪刀將那兩根導線剪斷，重新插上電源，用數(shù)字毫伏表測副邊電壓，均在誤差范圍內用萬用表測7812、7912的輸出，也均在誤差范圍內，則調試完畢。2、電壓轉換頻率（1）安裝根據(jù)畫好的電路圖，在電路板上布好局，在焊接的時候要特別注意，不要虛焊或者是焊在一起了，而且ua741中沒有用到的點不能懸空，要將其焊好，特別注意電容的正負極別將它焊反啦！在焊夾子的時候將紅黑按其要接的分配號來，以免進實驗室接錯！仔細檢查焊的電路，若梅問題，則安裝完畢。（2）調試在實驗室按照正確的方式連接好電路，用雙蹤示波器來測鋸齒波和方波的圖形，發(fā)現(xiàn)鋸齒波非常標準，而方波的波形不怎么好，然后通過改變輸入電壓，用

17、頻率計來測輸出地頻率，發(fā)現(xiàn)誤差很大，后通過老師指點，將r5換成100k的電位器，重新連接號電路，重復上次測量方式，通過調節(jié)r5，得到了較好的波形，并且誤差在允許的范圍內，至此則調試完畢。六、性能測試與分析1、電源部分（1）實驗室所測得數(shù)據(jù) ：原邊輸出電壓 u=15.06v原邊輸出電壓 u= -15.06v7812的輸入電壓：20.9v7812的輸出電壓：12vu=9.1v7912的輸入電壓;-20.8v7912的輸出電壓:-11.8vu=-9v(2)誤差計算原邊輸出電壓 u的相對誤差: (15.06-15) 15.06100%3.98%原邊輸出電壓 u的相對誤差：(-15.06+15) (-1

18、5.06)100%3.98%7812的輸出電壓的相對誤差：(12-12) 12 100%=07912的輸出電壓的相對誤差：(12-11.8) 11.8 100%1.69%(3)誤差分析1）電網的波動2）測量儀器不精確3)電路的參數(shù)設計不是最合理的4）人讀數(shù)時存在偶然誤差5）電路焊接時有些地方沒焊好2、功能部分（1）實驗室所測得數(shù)據(jù) ： r5=35k輸入電壓（u/v）對應頻率（f/hz）5705.015.5747.316.0831.886.5915,897.0986.057.51054.338.01126.438.51196.499.01258.999.51333.1110.01395.882)

19、誤差計算理論值：當 u=5v時，f 729.17 hz當 u=5.5v時，f 802.08 hz當 u=6v時，f 875.00 hz當 u=6.5v時，f 947.92 hz當 u=7v時，f 1020.83 hz當 u=7.5v時，f 1093.76 hz當 u=8v時，f 1166.67 hz當 u=8.5v時，f 1239.59 hz當 u=9v時，f 1312.51 hz當 u=9.5時，f 1385.42 hz當 u=10v時，f 1458.34 hz當 u=5v時，f的相對誤差：(705.01729.17)705.01100%3.42%當 u=5.5v時，f的相對誤差：(747.

20、31802.08) 747.31100%7.3%當 u=6v時，f的相對誤差：(831.88875.00) 831.88100%5.18%當 u=6.5v時，f的相對誤差：915,89947.92) 915,89100%3.50%當 u=7v時，f的相對誤差：(986.051020.83) 986.05100%3.53%當 u=7.5v時，f的相對誤差：(1054.331093.76) 1054.33100%3.74%當 u=8v時，f的相對誤差：(1126.431166.67) 1126.43100%3.57%當 u=8.5v時，f的相對誤差：(1196.491239.59) 1196.49

21、100%3.60%當 u=9v時，f的相對誤差：(1258.991312.51) 1258.99100%4.25%當 u=9.5v時，f的相對誤差：(1333.111385.42) 1333.11100%3.92%當 u=10v時，f的相對誤差：(1395.881458.34) 1395.88100%8.96%3)誤差分析1）電路的參數(shù)設計不是最合理的2）測量儀器不精確3）信號發(fā)生器的示數(shù)跳動，引起讀數(shù)有誤差。4）電路焊接時有些地方沒焊好5)不是理想運放6）12v沒有絕對達到七、結論與心得經過查找資料，參考數(shù)據(jù)，終于將電壓轉換成頻率的原理圖弄出來啦！一開始抽到這個題目的時候覺得自己太背啦！怎么

22、抽到老師沒有講過的內容，一點頭緒也沒有，總之就在拖延時間，也為自己找到借口，但隨著抽測的日子越來越近，心里也開始著急，發(fā)現(xiàn)我就是這樣，若是不給我太多的空間，我才有一股強烈的力量想要把事情干完，窮途末路吧！至于電源部分是老師給的原理圖，經過仿真，我修改了最后兩個電阻的數(shù)據(jù)，覺得更加合適，但當我拿到個實驗室的時候，開始還不敢插電源，可能是怕大電容萬一裝反啦!引起爆炸！盡管我已經檢查過很多遍，是對的，人有時候就是不太相信自己，后來插上電源，結果沒有示數(shù)，心著實是涼啦！最怕的事情還是發(fā)生啦！我拿過來檢查就是沒發(fā)現(xiàn)錯誤，能怎么辦？只能拿回其實再專研專研啦！結果拿給寢室人看，就知道為什么啦！原來我不小心把

23、本來想要剪斷的導線忘記剪啦！我看了那么多遍就是檢查不出來，別人一看就清楚啦！可能是我心里就沒承認有錯，總認為自己是對的，真是當局者迷旁觀者清啊！再拿回實驗室的時候，發(fā)光二極管亮啦！測的的數(shù)據(jù)也符合要求，這個電源部分也就告一段落。隨后的電壓轉換頻率是一團霧水，只能去查找相關資料，到理科預覽室看了蠻多相關知識。再經過各方面的配合，原理圖是終于誕生啦！經過仿真，效果也還不錯，但理想與現(xiàn)實總是有差距的，當我拿到實驗室調試時波形是出來啦！可是圖形不怎么理想，誤差非常大，可是設計的參數(shù)是固定的，已經沒法調節(jié)，誤差太大，得分也就低，既然想做就要做好，就像不想當將軍的兵不是好兵！所以說當我們在做某件事情的時候

24、，一定要多思考，也要為自己多留條后路。這樣即便出現(xiàn)了問題也不會手足失措，沒有可以解決的方案。后來問了老師，他也給我們提供了建議，采納之后，波形的確好多啦！非常高興，盡管誤差還是有的，也就是因為太高興了吧!我也沒有過多的去調節(jié)電位器，就匆匆的記錄了數(shù)據(jù)，當天下午我的搭檔去測啦！經過仔細認真的調節(jié)他將誤差調到了最小，這也讓我知道，當你成功時，不應該太急切的去享受成功，而是應該想是不是還有更好的，精益求精！這原本讓我覺得特別難完成的任務，最終還是搞定啦！回頭想想也有中成就感，當你在做一件事情的時候，不應該先給自己畫一個圈，不然會很難跨出去，而且在面對問題的時候總是把問題想的很難很難，或許問題本來不難，但最終也會被你想的很難!當然面對問題也不能掉以輕心！現(xiàn)在總在討論電腦的利弊，科技的好壞?。∵@也讓我想到“雙刃劍”這個詞，若是沒有圖書館的資料，網絡資源，我的設計或許可能還沒出來，參考他人的資料，提取有用的信息，來達到自己的目標，但是有些人只是一味的抄襲他人的東西，沒有自己的元素與內容！都知道什么都是靠自己的，可以害人也可以幫人，就取決于你怎么個用法！有時會覺得自己沒有價值，但當我成功的做成某事時，就能找到那種令人驕傲的感覺，或許做的不是最好，但