目錄
第一章、設(shè)計概述與要求
一、設(shè)計概述
二、設(shè)計任務(wù)及要求
（一）設(shè)計任務(wù)
（二）設(shè)計要求
第二章、設(shè)計方案與論證
一、設(shè)計原理
二、原理框圖
三、單元電路方案論證
第三章、單元電路設(shè)計與分析
一、輸入信號
二、交流信號放大電路
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、實驗數(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：
附：電路總圖
線性F/V轉(zhuǎn)換在很多場合均有應(yīng)用，如渦流計量計、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，應(yīng)在了解線性F/V轉(zhuǎn)換器設(shè)計原理及構(gòu)成的基礎(chǔ)上，利用集成運算放大器、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)計完成一個線性F/V轉(zhuǎn)換器，通過改變輸入信號的頻率，實現(xiàn)對直流輸出電壓的線性變換。
二、設(shè)計任務(wù)及要求選取基本集成放大器LF353、555定時器、二極管和電阻、電容等元器件，設(shè)計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)境下進行電路設(shè)計和原理仿真，選取合適的電路參數(shù)，通過輸出波形的直流電壓值測試線性F/V轉(zhuǎn)換器的運行情況。其次，在硬件平臺上搭建電路，并進行電路調(diào)試，通過數(shù)字萬用表觀測電路的實際輸出電壓值。最后，將該實際電壓值與理論分析和仿真結(jié)果進行比較，分析產(chǎn)生誤差的原因，并提出改進方法。
（二）設(shè)計要求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確定的條件下，平均輸出電壓u0可表示為
其中，Ti為輸入信號的周期。
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、單元電路方案論證輸入信號由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，峰峰值為20mv，頻率為0—10KHZ，正弦交流信號。
因提供給下一階段——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)性能和較強的共模抑制能力，下面給出二運放和三運放儀表放大器的典型電路圖，作為參考。
（1） 二運放儀表放大器
圖2所示為一個基本二運放儀表放大器的電路圖：
圖2 二運放儀表放大器電路圖
當R1=R4，R2=R3 時，其差模增益可表示為：
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)三運放儀表放大器
下圖所示為一個基本三運放儀表放大器的結(jié)構(gòu)。
圖3 三運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)，當電阻匹配時，共模抑制能力較強。其中三運放儀表放大器較為常見，常用做心電圖儀的前置放大電路。
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刻。其結(jié)構(gòu)如圖4 所示，當ui≥ 0 時，比較器輸出uo為低電平；當ui<0時，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)點是，結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高；其缺點是，抗干擾能力差。輸入信號過零點時，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，當輸入信號達到某一電壓值時，輸出電壓會發(fā)生突變。當其輸入信號上升達到正向閾值電壓uT+或下降達到負向閾值電壓uT-時，輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)。將555 定時器的閾值輸入端（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。當輸入如圖（b）所示的三角波信號時，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。
另外有一點值得注意，因555 定時器的工作電源是正極性單電源，不能處理負極性信號，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 濾除負極性信號電路
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 定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器
輸入負觸發(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，可能此時負脈沖的寬度會大于輸出脈沖寬度，而RC 微分電路的特點是能突出反映輸入信號的跳變部分，其時間常數(shù)τ = RC 很小，根據(jù)此特點，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行整形）
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，適用于負載電阻較大，電流較小及要求紋波系數(shù)很小的情況。
當信號經(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)計要求。如常見的由運放構(gòu)成的同相比例放大電路就能實現(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。
輸入信號由函數(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)計的波形轉(zhuǎn)換電路如下：
仿真波形如下圖所示：
其中濾除負極性信號電路采用2k電阻和二極管9013組成。
四、微分電路我設(shè)計的微分電路仿真圖如下：
仿真波形：（下跳變窄脈沖信號）
我設(shè)計的單穩(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)時間）由電容的充電時間常數(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。
Uc(0+)=0V；Uc(∞)=Vcc；Uc(Tpo)=Vref1；t=RC；Tpo=RClnVcc/(Vcc-Vref1)。
改變電容充電時間常數(shù)RC或555定時器的控制輸入電平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
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100~200Ω，電容的容值選擇要偏大些。實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)計的濾波電路仿真圖如下：
仿真波形如下圖所示：
1kHz時的紋波噪聲約為5mV。
七、直流放大電路我所設(shè)計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通過滑動變阻器進行調(diào)節(jié)，R=1kΩ。
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
（1）第一次設(shè)計交流放大電路時參數(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間常數(shù)略大。由于時間常數(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間常數(shù)很小。
（3）最終輸出的波形，隨頻率f的增大，會逐漸增大，但到達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，在濾波最后一級添加了滑動變阻器，使紋波噪聲降到合適的范圍內(nèi)。
二、實驗數(shù)據(jù)記錄頻率（HZ） | 1K | 5K | 10K |
電壓（V） | 1.001 | 5.010 | 10.000 |
紋波噪聲（mV） | 29 | 37 | 46 |
本次試驗，能將書本上的只是和實際結(jié)合，連接電路進行測試。在實際中，遇到了相當多的問題，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，加深了對運放器的理解與運用，還有各種電腦模擬設(shè)計軟件的操作，為將來的實踐打下了基礎(chǔ)。我理解了光理論掌握的好是遠遠不夠的，實踐起來與理論相差的特別多。通過不斷地調(diào)試，并且與同學老師保持交流，最終解決了問題，收獲了許多。
第六章 儀器、儀表、元器件介紹元器件：
LF353集成運算放大器 2
555定時器 2
電阻 1k 6
2k 1
2.2k 1
3k 1
9.1k 1
10k 1
24k 2
68k 2
滑動變阻器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.doc
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