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：電信1208班學(xué)號：120900812桌號：36號目錄第一章、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2一、設(shè)計(jì)原理2二、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8二、交流信號放大電路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14第四章、電路的組夠與調(diào)試15一、遇到的主要問題和解決方案15二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄15第五章 總結(jié)15第六章 儀器、儀表、元器件介紹16參考文獻(xiàn)：17附：電路總圖18第一章、設(shè)計(jì)概述與要求一、設(shè)計(jì)概述線性

2、F/V轉(zhuǎn)換在很多場合均有應(yīng)用，如渦流計(jì)量計(jì)、脈沖轉(zhuǎn)速表、調(diào)頻遙測技術(shù)中恢復(fù)原始信號等。它把輸入的頻率信號直接變換成直流電壓輸出信號，并且此直流電壓輸出與輸入信號的頻率成正比。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、濾波電路以及信號放大電路等構(gòu)成整個小系統(tǒng)，設(shè)計(jì)完成一個線性F/V轉(zhuǎn)換器，通過改變輸入信號的頻率，實(shí)現(xiàn)對直流輸出電壓的線性變換。二、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)并制作一個簡易的線性V/F轉(zhuǎn)換器。首先，在EWB軟件平臺環(huán)境下進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和原理仿真，選取合適的

3、電路參數(shù)，通過輸出波形的直流電壓值測試線性F/V轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行情況。其次，在硬件平臺上搭建電路，并進(jìn)行電路調(diào)試，通過數(shù)字萬用表觀測電路的實(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。2、 線性輸出010V的直流信號。3、 轉(zhuǎn)換絕對誤差小于20mV（平均值）。4、 1kHz時(shí)的紋波uopp小于50mV。第二章、設(shè)計(jì)方案與論證一、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的頻率成正比例，且為線性關(guān)系。具體分析如下。在單穩(wěn)電路輸出脈沖信號的高度uH及寬度tw確

4、定的條件下，平均輸出電壓u0可表示為u0=twTi*uH其中，Ti為輸入信號的周期。由f=1T及上式可得u0=1/fw1/fi*uH=fifw*uH=uHfw*fi其中，uH和fw為常數(shù)。由此可知，輸出直流電壓和輸入信號的頻率呈線性關(guān)系。二、原理框圖輸入信號經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成合適的方波信號；然后通過單穩(wěn)電路，形成寬度和高度相同的脈沖信號，但周期不同；再經(jīng)過濾波電路轉(zhuǎn)換成直流，最終通過信號放大，即為所要求獲得的電壓信號。圖1 原理框圖三、單元電路方案論證1） 輸入信號輸入信號由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，峰峰值為20mv，頻率為010KHZ，正弦交流信號。2） 交流信號放大電路因提供給下一階段

5、轉(zhuǎn)換電路的電信號幅度單位為“伏”級，該放大電路可采用運(yùn)放構(gòu)成的兩級放大器。應(yīng)在保證輸出波形不失真的前提下，滿足下一個子電路的觸發(fā)電平需要。一般來說，后一級的放大倍數(shù)要高于前一級的。該放大器應(yīng)具有優(yōu)異的動態(tài)性能和較強(qiáng)的共模抑制能力，下面給出二運(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)R1=R4，R2=R3 時(shí)，其差模增益可表示為：u0=1+R1R2*ui注：共模信號輸入端和輸入ui處于相同的干擾源情況下，能有效抑制共模干擾對輸出的影響。(2)三運(yùn)放儀表放大器下圖所示為一個基本三運(yùn)放儀表放大器的結(jié)

6、構(gòu)。圖3 三運(yùn)放儀表放大器電路圖其中令Rf1=Rf2其放大倍數(shù)如下公式所示：Av1=-（1+2*Rf1Rp)Av2=RfRAv=Av1*Av2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，以下給出幾種方案，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)ui<0時(shí)，比較器輸出uo為高電平。圖4 過零比較器過零比較器的優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度

7、高；其缺點(diǎn)是，抗干擾能力差。輸入信號過零點(diǎn)時(shí)，容易產(chǎn)生抖動，造成輸出信號的反復(fù)變化，不能夠輸出穩(wěn)定的矩形波。（2） 由555 芯片構(gòu)成的施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器又稱為電平觸發(fā)的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，對于緩慢變化的信號仍然適用，當(dāng)輸入信號達(dá)到某一電壓值時(shí)，輸出電壓會發(fā)生突變。當(dāng)其輸入信號上升達(dá)到正向閾值電壓uT+或下降達(dá)到負(fù)向閾值電壓uT-時(shí)，輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)。將555 定時(shí)器的閾值輸入端（6 腳）和觸發(fā)輸入端（2 腳）連在一起，便構(gòu)成了施密特觸發(fā)器，如圖5（a）所示。當(dāng)輸入如圖（b）所示的三角波信號時(shí)，則從施密特觸發(fā)器的uo端可得到方波輸出。（a）電路圖 （b）波形圖圖5 由555 定時(shí)器構(gòu)成的施密特

8、觸發(fā)器如果將上圖中5 腳外接控制電壓uic，改變uic的大小，可以調(diào)節(jié)回差電壓的范圍。采用施密特觸發(fā)器這種具有遲滯特性的轉(zhuǎn)換電路，可以有效的提高其抗干擾能力。另外有一點(diǎn)值得注意，因555 定時(shí)器的工作電源是正極性單電源，不能處理負(fù)極性信號，因此需要在此電路前端加上一個二極管，將之前的負(fù)極性信號濾除后，再作為555 的輸入信號。其示意圖如圖6 所示。圖6 濾除負(fù)極性信號電路4） 單穩(wěn)電路單穩(wěn)電路的作用是將前一模塊輸出的矩形波信號轉(zhuǎn)換成高度和寬度一定的脈沖信號。單穩(wěn)電路可由555 定時(shí)器外接一些阻容器件構(gòu)成，其典型電路及工作波形如圖7 所示：（a）電路圖 （b）波形圖圖7 由555 定時(shí)器構(gòu)成的單

9、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：tw=RClnVccVcc-23Vcc=RCln31.1RC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20 30s之間，當(dāng)然脈沖信號越窄越好，但是受到的干擾信號也會越大。值得注意的是，這種單穩(wěn)電路要求輸入觸發(fā)脈沖的寬度小于輸出脈沖

10、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，是由初始的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的信號頻率決定的，可能此時(shí)負(fù)脈沖的寬度會大于輸出脈沖寬度，而RC 微分電路的特點(diǎn)是能突出反映輸入信號的跳變部分，其時(shí)間常數(shù) = RC 很小，根據(jù)此特點(diǎn)，可把信號中跳變部分轉(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，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)對高頻信號的衰減。二階低通濾波器是由2 個一階低通濾波器串聯(lián)得到的。圖8 二階RC 低通濾波電路這類

11、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，電流較小及要求紋波系數(shù)很小的情況。6） 直流信號（同相比例）放大電路當(dāng)信號經(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，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：圖9 同相比例放大電路其增益可表示為：u0=(1+RfR1)ui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)換電路的輸出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)保持輸入與輸出的線性關(guān)系。第三章、單元電路設(shè)計(jì)

12、與分析一、輸入信號輸入信號由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，峰峰值為20mv，頻率為010KHZ，該設(shè)計(jì)選用的是正弦波，波形如圖所示：二、交流信號放大電路以下是我的仿真電路圖：第一級放大倍數(shù)：Av1=-6.2747，Av1=68。因此放大倍數(shù)Av=-426.68.在我的仿真電路中：Rf1=24K，Rp=9.1K，Rf=68K，R=1K；仿真結(jié)果如下：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：仿真波形如下圖所示：其中濾除負(fù)極性信號電路采用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：仿真波形：（下跳變窄脈沖信號）五、單穩(wěn)電路我設(shè)計(jì)的單穩(wěn)電路仿真圖如下：仿真波

13、形如下圖：脈寬tw=28.409us單穩(wěn)觸發(fā)器是在輸入信號激勵下，產(chǎn)生脈沖寬度恒定的輸出信號。555構(gòu)成的單穩(wěn)觸發(fā)器，外部激勵從出發(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R。Ui=V TRI , U C=V TRI=V DIS。單穩(wěn)電路輸出的高電平寬度（暫態(tài)時(shí)間）由電容的充電時(shí)間常數(shù)和Vref1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，始終為Vcc。但這個過程被終止在電容電壓等于Vref1時(shí)。Uc(0+)=0V；Uc()=Vcc；Uc(Tpo)=Vref1；t=RC；Tpo=RClnVcc/(Vcc-Vref

14、1)。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,則：tw=RCln31.1RC六、濾波電路濾波電路的作用在于能夠把輸入信號的交流部分濾除，留下直流部分。這里的R1阻值在100200，電容的容值選擇要偏大些。實(shí)際操作過程中對于輸出波形的精度調(diào)節(jié)，可以通過改變滑動變阻器的阻值來調(diào)節(jié)。我設(shè)計(jì)的濾波電路仿真圖如下：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：放大倍數(shù)Av=1+Rf/R=10，Rf通過滑動變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，R=1k。

15、仿真波形如下圖所示：電路總圖第四章、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)致或者出現(xiàn)放大波形的飽和或截止失真，或者出現(xiàn)通過后一級施密特觸發(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8V20V之間，即放大倍數(shù)在400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)=RC，因此可以固定電容值0.01f，通過減小R值，來減小時(shí)間常數(shù)。微分后的窄脈沖直接影響后一級單穩(wěn)電路，因此需要微分脈沖的時(shí)間常數(shù)很小。（3）最終輸出的波

16、形，隨頻率f的增大，會逐漸增大，但到達(dá)2V左右，發(fā)生跳變，即輸出波形突然下移。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，在濾波最后一級添加了滑動變阻器，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（mV）293746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)行測試。在實(shí)際中，遇到了相當(dāng)多的問題，連出電路之后也會發(fā)生各種接觸不良導(dǎo)致的波形出不來與誤差，了解了自己在這些方面的不足。在理論知識方面，加深了對運(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，并且與同學(xué)老師保持交