線性F/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)與調(diào)試(模擬電路)

目錄

第一章、設(shè)計(jì)概述與要求

一、設(shè)計(jì)概述

二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求

（一）設(shè)計(jì)任務(wù)

（二）設(shè)計(jì)要求

第二章、設(shè)計(jì)方案與論證

一、設(shè)計(jì)原理

二、原理框圖

三、單元電路方案論證

第三章、單元電路設(shè)計(jì)與分析

一、輸入信號(hào)

二、交流信號(hào)放大電路

三、波形轉(zhuǎn)換電路

四、微分電路

五、單穩(wěn)電路

六、濾波電路

七、直流放大電路

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

二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

第五章 總結(jié)

第六章 儀器、儀表、元器件介紹

參考文獻(xiàn)：

附：電路總圖

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。

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。

• 輸入頻率為0~10kHz、幅度為20mV（峰峰值）的交流信號(hào)。
• 線性輸出0~10V的直流信號(hào)。
• 轉(zhuǎn)換絕對(duì)誤差小于20mV（平均值）。
• 1kHz時(shí)的紋波uopp小于50mV。
  

F/V轉(zhuǎn)換電路輸出的直流電壓幅值與輸入信號(hào)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(hào)的高度uH及寬度tw確定的條件下，平均輸出電壓u0可表示為

其中，Ti為輸入信號(hào)的周期。

由及上式可得

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。

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號(hào)。

圖1 原理框圖

• 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)。

• 交流信號(hào)放大電路
  

因提供給下一階段——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(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)R1=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ui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)放儀表放大器電路圖

其中令Rf1=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。

• 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(jiǎn)單，靈敏度高；其缺點(diǎn)是，抗干擾能力差。輸入信號(hào)過零點(diǎn)時(shí)，容易產(chǎn)生抖動(dòng)，造成輸出信號(hào)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(duì)于緩慢變化的信號(hào)仍然適用，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一電壓值時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生突變。當(dāng)其輸入信號(hào)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(hào)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(hào)，因此需要在此電路前端加上一個(gè)二極管，將之前的負(fù)極性信號(hào)濾除后，再作為555 的輸入信號(hào)。

其示意圖如圖6 所示。

圖6 濾除負(fù)極性信號(hào)電路

• 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(hào)轉(zhuǎn)換成高度和寬度一定的脈沖信號(hào)。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：

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 ~ 30μs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)脈沖的寬度小于輸出脈沖的寬度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，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(hào)的跳變部分，其時(shí)間常數(shù)τ = 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）

• 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。

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，電流較小及要求紋波系數(shù)很小的情況。

• 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：

圖9 同相比例放大電路

其增益可表示為：

注：電路中必須加量程調(diào)節(jié)電路。

• 注意事項(xiàng)
  

• 線性放大倍數(shù)必須滿足轉(zhuǎn)換要求。
• 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。
• 正確地選擇濾波電路濾波時(shí)間常數(shù)。
• 調(diào)試時(shí)應(yīng)保持輸入與輸出的線性關(guān)系。
  

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：

以下是我的仿真電路圖：

第一級(jí)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。

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(hào)電路采用2k電阻和二極管9013組成。

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(hào)）

我設(shè)計(jì)的單穩(wěn)電路仿真圖如下：

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(gè)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-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,則：

tw=RCln3≈1.1RC

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100~200Ω，電容的容值選擇要偏大些。實(shí)際操作過程中對(duì)于輸出波形的精度調(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。

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(dòng)變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，R=1kΩ。

仿真波形如下圖所示：

（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(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8V~20V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400~500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)，因此可以固定電容值0.01μf，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(jí)單穩(wěn)電路，因此需要微分脈沖的時(shí)間常數(shù)很小。

（3）最終輸出的波形，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20~40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)。

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，連出電路之后也會(huì)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(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，并且與同學(xué)老師保持交流，最終解決了問題，收獲了許多。

元器件：

LF353集成運(yùn)算放大器               2

555定時(shí)器                         2

電阻   1k                         6

       2k                         1

       2.2k                        1

       3k                         1

       9.1k                        1

       10k                         1

       24k                         2

       68k                         2

滑動(dòng)變阻器103                     2

電容   0.1uf                       1

       0.01uf                       3

       100uf                       2

三極管                             1

二極管                             1

示波器                            1

函數(shù)發(fā)生器                        1

信號(hào)發(fā)生器                        1

數(shù)字萬用表                        1

F-V轉(zhuǎn)換電路-模擬電路課程設(shè)計(jì).doc (638 KB, 下載次數(shù): 53)

2019-1-10 18:24 上傳

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