电压频率转换课程设计.docx

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1、目录第一章设计指标1设计指标1第二章设计方案及方案确定12.1 设计思想12.2 各功能的组成及原理分析12.3 总体工作过程13第三章电路的组构与调试153.1遇到的主要问题153.2现象记录及原因分析153.3解决措施163.4电路的检测16第四章结束语17心得与体会17参考文献19器件表19附图(电路总图)20第一章设计指标【设计指标】1 .设计内容：小信号(100mv)v/f变换2 .设计要求：1)输入O-100mv小信号电压线性变换成O-IOKHz频率输出;2）设计精度1%。，既误差不超过IOHz；3）输出波形（脉冲波），脉冲宽度tw=2040us。第二章设计方案及方案确定2.1 设

2、计思想输入为0100mV的小信号线性转换成O-IOKHz的输出频率,可先将。WOmv的小信号电压线性转换成0IoV的电压输出，然后再将其转换成0IoKHZ的频率输出。2.2 各功能的组成及原理分析1.0100mV电压输出电源电压输出为12V,要产生0100mV的电压，需要一个有固定阻值的电阻和一个滑动变阻器进行分压以调节电压输出。通过调节滑动变阻器的阻值来改变输出电压（滑动变阻器两端的电压）。当滑动变阻器的阻值为OQ时，滑动变阻器两端的电压为0V,当滑动变阻器的阻值为IKQ时，滑动变阻器两端的电压为100mV。电阻选择：110KQ电阻一个，9.1KQ电阻一个，1KQ滑动变阻器一个。滑动变阻器两

3、端电压为输出电压。电路连接如图一所示。图1分压电路产生。10Omv电压2 .电压放大1）仪表放大器的特点在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大。因此，传感器的输出是放大器的信号源。然而，多数传感器的等效电阻都不是常量，他们随所测物理量的变化而变。这样，对于放大器而言信号源内阻Rs是变量，根据电压放大倍数的表达式可知，放大器的放大能力随信号大小而变。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器的输入电阻RiRs,Ri愈大，其信号内阻变化而引起的放大误差就愈小。此外，从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大的共模局部，其数值有时远大于差模信号。

4、因此，要求放大器具有较强的抑制共模信号的能力。综上所述，仪表放大器除了具有足够大的放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模抑制比。2)根本电路集成仪表放大器的具体电路多种多样,但是很多电路都是在图二所示的电路的根底上演变而来。根据运放的根本分析方法，在图二所示电路中图二放大器典型结构输出电压Uo=-RfU+2R1Rs)R3*Uid式21其中：R1=R2,R3=R4当放大器A1,A2的输入相等等于UiC时，既Uid=OV时，滑动变阻器中的电流为零，放大器A1,A2的输出差等于输入电压Uic,输出电压Uo=0。可见，电路放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数数值愈大，共模抑制比愈高。当输入信号中含

5、有共模噪声时，也将被抑制。由于，要使输入为0100mV的电压放大为。10V,既放大倍数为Io0.根据式2-1,Uo=-Rf(1+2R1Rs)R3*Uid取Rf=50K,R3=1K,R1=10K,RS=20KQ,因Rs是一滑动变阻器，故取其阻值为100KQ。调节滑动变阻器的阻值，使放大电路的放大倍数为100.3 .电压跟随器电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要到达几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及

6、隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比拟高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比拟小，那么信号就会有相当的局部损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。电压跟随器如图三所示。图三电压跟随器4 .积分电路积分电路的输入电压W和输出电压U2的波形。由于tp,电容缓慢充电,其上的电压在整个脉冲持续时间内缓慢增长，当还未增长到趋于稳定值时,脉冲已告终止(t=t1)o以后电容经电阻缓慢放电，电容上电压也缓慢衰减。在输出端输出一个锯

7、齿波电压。时间常数越大，充放电越是缓慢，所得锯齿波电压的线性也就越好。从波形上看，U2是对U积分的结果。因此这种电路称为积分电路。在脉冲电路中，可应用积分电路把矩形脉冲变换为锯齿波电压，作扫描等用。积分电路如图四所示。图四积分电路此设计中积分电路的电阻局部采用了一个固定电阻与一个滑动变阻器串联而成。目的是为了更准确地调节积分电路中电容的充电时间。而电容局部那么采用了一个0.01f的电容。在电容两端并联二极管的目的是使得积分电路的输出电压控制在-0.7V以上。相关计算：令输入电压为IOV,那么根据积分电路的计算公式那么有uo=-uxdt,可以推出JOV=-!-J1.oV*T，其中T=I/F=0.

8、01mso因为要RCJRC求输出波形是脉冲波形，所以，反向积分器的正向充电时间必须是反向充电时间的4倍以上。所以，-10V=-!-10V*0.8*ToRC输出波形如图五所示：图五积分电路输出波形5 .555构成的施密特触发器1)555定时器的电路结构和控制特性555定时器是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路，应用广泛。外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，单稳电路，施密特触发器等。555定时器原理图及引线排列如图六所示。其功能见表一。定时器内部由比拟器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。分压电路由三个5K的电阻构成，分别给A1.和A2提供参考电平2/3VeC和1/3VCCoA1.和A

9、2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚输入大于2/3VCC时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，3脚输出高电平，放电管截止。4脚是复位端，当4脚接入低电平时，那么VO=0；正常工作时4接为高电平。5脚为控制端，平时输入23Vcc作为比拟器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比拟器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。如果不在5脚外加电压通常接0.01F电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰,确保参考电平的稳定。图六555定时器的电路结构及引脚图衣555定时器的功能表输入输出阀值输入触发输入复位输出

10、放电管TXX00导通23Vcc23Vcc1.3Vcc10导通1.3Vcc1不变不变2）施密特触发器施密特触发器是一种特殊的双稳态时序电路，与一般的双稳态触发器相比，它具有如下两个特点：施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号同样适用。只要输入信号电平达到相应的触发电平，输出信号就会发生突变，从一个稳态翻转到另一个稳态，并且稳态的维持依赖于外加触发输入信号。对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平。这一特性称为滞后特性或回差特性。3)555定时器构成的施密特触发器用555构成的施密特触发器原理图及其传输特性分别如图七所示。在图七中，将555定时器的TH端和TR端连接在一起作为信号输

11、入端，OUT作为输出端，便构成了一个施密特反相器。图七555构成的施密特触发器1)工作原理由555定时器构成的施密特触发器为反向传输的施密特触发器，正向阔值电压和负向阔值电压分别为：V+=23UccV=1.3Ucc根据555定时器功能表一可知：(1)当的处于0ViV1.3Ucc上升区间时,OUT=1”。(2)当仍处于1/3UCCVMV2/3UCC上升区间时，OUT仍保持原状态力“不变。(3)当i处于iN23Ucc区间时,OUT将由“1”状态变为“0”状态，此刻对应的祐值称为复位电平或上限阈值电压。(4)当出处于1.3Uccwi23Ucc下降区间时，OUT保持原来状态“0”不变。(5)当i处于U

12、W1.3Ucc区间时，OUT又将由“0”状态变为“1”状态，此刻对应的仍值称为置位电平或下限阈值电压。又因为置位电平和复位电平二者是不等的，二者之间的电压差称为回差电压用AUT表示，即AUt=UriUr2=13Ucc02)波形变换。将输入的三角波信号变为对应的矩形波输出信号。波形如图八所示：图八施密特触发器OUT端的输出波形6 .模拟开关电路开关电路由一个晶体三极管组成，其基极受施密特触发器的输出端OUT端控制。当555构成的是施密特触发器的OUT端输出高电频时，三极管导通。当555构成的施密特触发器的OUT端输出低电频时，三极管截止。为了保证较大的反向充电电流，RC应该较小，故取200。发射

13、级电阻Re的大小可以调节输出脉冲的宽度，Re愈小，输出的脉冲宽度也愈小，但需考虑三极管本身的因素，故取RenKQ。模拟开关电路如图九所示：图九模拟开关电路7 ,调零电路由于运算放大器制造工艺等原因，当运算放大器输入端短路，为零输入时,输出端并不为零。为了解决这一问题,在设计集成运算放大器时外接调零电路,只要接入辅助调零电路，就可以使输出端调为零了。辅助调零电路采用引入电流帮助平衡，如在图十所示电路中由同相输入端引入电流。当调节滑动变阻器的划片时，流入R1.的电流也将随之改变，并在运算放大器的同相端引入此电流，帮助平衡，以到达调零的效果。并且，滑动变阻器的阻值不应选取过大的阻值，如果阻值过大，流

14、过的电流微乎其微，很难到达调零的效果。故在此设计中，滑动变阻器的阻值选为1Ko图十调零电路8 .3总体工作过程整个电路用来实现VOC压控振荡器的功能，作用是将010OmV的输入电压线性转化成为010KHZ的脉冲信号输出。这种电路多用于构成锁相环，实现模数转换和在通信系统中产生本振信号。电压/频率转换的工作原理：电压跟随器的输出电压经过电阻及滑动变阻器之后的输出电压，为正值。经过反向积分电路的积分作用后，电压输出为负。从而使得由555构成的施密特触发器电路中的TRI（既2脚）的输入电压小于4V,也即1.3Vcco导致由555构成的施密特触发器的OUT端（即3脚）产生高电频。在施密特触发器的OUT

15、端呈现高电压时，使得三极管导通，开关电路的开关闭合。又由于IC近似等于Ie,所以，相当于反向积分器中运算放大器的负极经过一个电阻之后直接连在三极管的发射级，发射级的电压由于稳压二极管的作用稳定在-3V左右。通过反向积分器后，反向积分器的输出电压为正值。此时，施密特触发器的THR端（即6脚）的输入电压大于+8V,施密特触发器的OUT端（即3脚）输出低电频。此时，三极管截止，开关电路的开关断开。此时反向积分器中运算放大器的负极电压重新回到正值，经过反向积分器之后再次输出负电压。由555构成的施密特触发器再次输出高电频。整个电路如此循环往复。形成一定频率的脉冲信号输出。第三章电路的组构与调试3.1 遇到的主要问题主要问题：1）电压不能线性放大，既输入为O100mV时，输出并非为010V;2）输出的脉冲波形宽度过宽，接近于10ms,以至于输出的频率仅为几赫兹；3）输入的小信号电压