模拟电路课程设计报告-电压频率转换.doc

模拟电路课程设计报告设计课题： 电压频率转换 专业班级： 学生姓名： 学号指导教师： 设计时间： 电压频率转换一、设计任务与要求:1将输入的直流电压（10组以上正电压）转换成与之对应的频率信号。2用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（12V）。（提示：用锯齿波的频率与滞回比较器的电压存在一一对应关系，从而得到不同的频率.）二、方案设计与论证(一)电源部分单相电压经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。直流电源的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压，变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，再通过低通滤波电路滤波，减小电压的脉动，使输出电压平滑，但由于电网电压波动或负载变化时，其平均值也将随之变化，则在滤波电路后接个稳压电路，使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载变化的影响，从而获得足够高的稳定性。在此次设计中则用220v、50Hz的交流电通过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路利用桥式整流电路实现正、负12V直流电压。方框图如下：图 10.1.1直流稳压电源的方框图电源变压器整流电路滤波电路稳压电路负载电网电压 原理：直流稳压电源通过变压器、整流、滤波、稳压来实现。1）通过电源变压器降压后，再对220V、50Hz的交流电压进行处理，变压器副边电压有效值决定于后面电路的输出电压。2)变压器副边电压通过整流电路将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，一般整流电路用单相半波整流和单相桥式整流，但单相半波电路仅试用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合，所以此次采用单相桥式整流电路。3）经过整流电路的电压仍含有交流分量，再为了减小电压的脉动，则接一滤波电路，输出电压平稳。图如下：脉动直流电压滤波直流电压4）交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流成分较小的直流电压，但是当电网波动或者负载变化时，它的值也会变动，则通过稳压电路使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载变化的影响，从而得到更好的稳定行。方案一、单相半波整流电路设变压器的副边电压有效值为U，则其瞬时值U=sinwt。在U的正半周期，A点位正，B点位负，二极管外加反向电压，因而处于导通状态。电流从A点流出，经过二极管D和负载R流入B点， u= usinwt（wt=0）。在u的负周期，B点为正，A点为负，二极管外加反向电压，因而处于截至状态，u=0（wt=2）。负载R的电压和电流都具有单一方向脉动的特性，图1为单相半波整流电路：图1，图2为变压器副边u、输出电压u（也是输出电流和二极管的电流）、二极管端电压的波形。图2方案二、桥式整流电路设变压器的副边电压有效值为U，则其瞬时值U=sinwt。当u为正半周期时，电流由A点流出，经D、R、D流入B点，如图3所示，因而负载电阻R上的电压等于变压器副边，D和、D管承的反向电压为- u。图3这样，由于D、 D和D、 D两对二极管交替导通，致使负载R上在u的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压u=Usinwt。图4所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。图4 单相桥式整流电路的波形的波形图iD1 iD2iD3 iD4由于第一种方案即单相半波整流电路只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，脉动大，效率低。所以采取第二中方案即单相桥式整流电路。（二）电压转换为频率物理量通过传感器转换成电信号后，经预处理变换为合适的电压信号，然后去控制压控振荡器电路，再用压控震荡电路的输出驱动计数器，使之在一定时间间隔内记录矩形波的个数，并用数码显示。它的功能是将输入直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压。总的流程如下图所示：计数显示传感器预处理电路压控震荡器方案一、电荷平衡式电路电荷平衡式电压频率转换电路由积分器和滞回比较器组成，它的原理如图5所示，图中S为电子开关，受输出电压的控制。设ui；u的高电平为U,u的低电平为U；当u= U时S闭合，当u= U时S断开。若初态u= U，S断开，积分器对输入电流i积分，且i= uR，u随时间逐渐上升；当增大到一定数值时，u从U跃变为U，使S闭合，积分器对恒流源电流I与i的差值积分，且I与i的差值近似为I，u随时间下降；因为Ii，所以u下降速度远大于其上升速度；当u减小到一定数值时，u从U跃变为U，回到初态。由于T约等于T1。方案二、复位式压控电路电路由积分器和单限比较器组成，S为模拟电子开关，可由晶体管或场效应管组成。设输出电压u为高电平S断开,u的低电平时S闭合。当电源接通后，由于电容C上电压为零，即u=0，使u= U，S断开，积分器对u积分，u逐渐减小；一旦u过基准电压-U，u将从U跃变为U，导致S闭合，使C迅速放电至零，即u=0，从而u从U跃变为U；S又断开重复上述过程。如下图：将方案一与方案二进行比较可知，方案二中，输出显示的频率不仅决定于Ui还与Uref有关，相对方案一而言，操作起来更复杂，而且方案一的电路，满刻度输出频率高，线性误差小，精确度高，要双电源供电，但正好有正负12V电压，从以上来看，选择方案一即电荷平衡式。三、单元电路设计与参数计算.（一）电源部分1、整流电路原理图如下： （1）工作原理1.当 u2 0时，电流由+流出，经D1、RL、D2流入-。2.当 u2 0时，电流由-流出，经D3、RL、D4流入+。这样，由于D1，D3和D2，D4两对二极管交替导通，致使负载电阻Rl在整个周期内都有电流通过。波形图如上。（2）输出电压平均值 UO(AV) 和输出电流的平均值IO(AV) （3）脉动系数（4）二极管的选择在单相桥式整流电路中，因为每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。即二极管承受的最大反向电压：考虑到电网波动的范围为正负10%，在实际选用二极管时，应至少留10%的余地，选择最大整流平均电流IF和最高反向工作电压U分别为2、滤波电路电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路，如下图所示： 理想情况下的波形和考虑整流电路内阻时的波形滤波电容容量较大，因而一般均采用电解电容器。在接线时要注意电解电容的正负极。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。理想情况下的波形和考虑整流电路内阻时的波形分别如上。滤波原理以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。当u上升，u大于电容上的电压u，u对电容充电，u= u u时间常数t = (R / Rint ) C（小）当u下降, u小于电容上的电压。二极管承受反向电压而截止。电容C通过R放电，u按指数规律下降，时间常数t = R C。放电时间常数t远远大于充电时间常数t。滤波效果取决于放电t，其值愈大，滤波效果愈好，即，电容愈大，负载电阻愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大。波形图如下：（1） 输出电压平均值设整流电路内阻较小而R较大，电容每次充电均可达到u的峰值，然后按RC放电的起始斜率直线下降，经RC交于横轴，且在0.5个周期处的数值为最小值U，则输出平均值为 当负载开路时，即R无穷大时，当RC（35)T/2时考虑电网电压波动，电容的耐压值应满足RC=（35）T /2即，应大于1.2U。（3）脉动系数 S 3稳压二极管稳压电路整流滤波电路输出电压不稳定的主要原因：负载变化、电网电压波动。（1）利用三端稳压7812、7912来构成稳压电路图如下：若输出电压较高，接在7912、7812接一保护二极管 D，一般为IN4001到4003，此常用IN4001，以保护集成稳压器内部的调整管。LM7812和LM7912的输出电压分别了正负12伏，LM7812是1为输入端，2为公共端，3为输出端，LM7912是1为公共端，2为输入端，3为输出端。图中C4和C3是用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小一般小于1微法。图中电容C5和C6是用于消除输出电压中高频噪声，可取小于1微法的电容，也可以去几微法或几十微法的电容，一边输出较大的脉冲电流。（二）功能部分如图（a）所示，两个集成运放输出电压的波形如图（b）所示，根据对锯齿波的分析可知，图（a）所示的阈值电压为 U=.U在图（b）波形中的T时间段，u对u的线性积分，其起始值为- U，终了值+ U，因而T应满足T=.当RR时，振荡周期TT，故振荡频率 f=U振荡频率与输入电压成正比 图（a） 图(b)四、总原理图及元器件清单电源部分：1电压转换频率：波形如下：双踪示波器、万用表（模拟或数字）、交流毫伏表各一台，自己焊的电路，导线若干。2元件清单元件序号型号主要参数数量备注变压器220V/15V1个单价5元电容C1、C2耐压值50V3300uf2个单价0.5元电容C3、C4、C5、C6耐压值50V0.47uf4个单价0.3元电容C7、C8耐压值50V220Uuf2个单价0.1元电位器R110 K1个单价0.8元电位器R210 K1个单价0.8元二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6IN4007耐压值1000V，I=1A6个单价0.1元稳压芯片LM7812Uo=12V、Io=100mA1个单价1.0元稳压芯片LM7912Uo=-12V、Io=100mA1个单价1.0元集成运放UA741Aod=65100、K=70902个单价1.0元底座2个单价0.4元电阻R110K1个单价0.1元电阻R210K1个单价0.1元电阻R310K1个单价0.1元电阻R410K1个单价0.1元电位器R5100K1个单价0.8元电阻R62K1个单价0.1元电容C10.1uf1个单价0.3元保险管1个单价0.5元稳压管IN4735稳12V2个单价0.1元二极管1N4148耐压值1000V，I=1A1个单价0.1元万能板大号1个单价2.8元万能板中号1个单价1.5元发光二极管LED1.5V2.0V，10mA20mA2个单价0.3元总费用21.6元五、安装与调试1、电源部分安装画好电路图，据此来焊电路。首先，将电路布好局，从左到右，先不装变压器，用万用表来判别二极管的P、N短，再将小二极管焊好，然后依据图中电容的正负将电容焊好，通过查阅资料了解7812、7912的管脚分配情况，知道7812的1端是输入，2端是公共端，3端是输出端，而7912是1端为公共端，2端为输入端，3为输出端，以防搞错，按照正确的方式将它们焊好，在将后面的几个电容焊好，其次用万用表判断发光二极管的好坏后，再将其焊进去，最后将其他的一次焊好，并把变压器的三端按正确的方式焊好，并将其固定在电路板上。检查电路板看是否有虚焊或没焊好的点，将其焊好。最终安装完成。（2）调试 将焊好的电路带到实验室，将变压器插在电源上，发现灯不亮，后经过检查，发现发光二极管都被短路，用剪刀将那两根导线剪断，重新插上电源，用数字毫伏表测副边电压，均在误差范围内用万用表测7812、7912的输出，也均在误差范围内，则调试完毕。2、电压转换频率（1）安装根据画好的电路图，在电路板上布好局，在焊接的时候要特别注意，不要虚焊或者是焊在一起了，而且UA741中没有用到的点不能悬空，要将其焊好，特别注意电容的正负极别将它焊反啦！在焊夹子的时候将红黑按其要接的分配号来，以免进实验室接错！仔细检查焊的电路，若梅问题，则安装完毕。（2）调试在实验室按照正确的方式连接好电路，用双踪示波器来测锯齿波和方波的图形，发现锯齿波非常标准，而方波的波形不怎么好，然后通过改变输入电压，用频率计来测输出地频率，发现误差很大，后通过老师指点，将R5换成100K的电位器，重新连接号电路，重复上次测量方式，通过调节R5，得到了较好的波形，并且误差在允许的范围内，至此则调试完毕。六、性能测试与分析1、电源部分（1）实验室所测得数据 ：原边输出电压 U=15.06V原边输出电压 U= -15.06V7812的输入电压：20.9V7812的输出电压：12VU=9.1V7912的输入电压;-20.8V7912的输出电压:-11.8VU=-9V(2)误差计算原边输出电压 U的相对误差: (15.06-15) 15.06100%3.98%原边输出电压 U的相对误差：(-15.06+15) (-15.06)100%3.98%7812的输出电压的相对误差：(12-12) 12 100%=07912的输出电压的相对误差：(12-11.8) 11.8 100%1.69%(3)误差分析1）电网的波动2）测量仪器不精确3)电路的参数设计不是最合理的4）人读数时存在偶然误差5）电路焊接时有些地方没焊好2、功能部分（1）实验室所测得数据 ： R5=35K输入电压（U/V）对应频率（f/Hz）5705.015.5747.316.0831.886.5915,897.0986.057.51054.338.01126.438.51196.499.01258.999.51333.1110.01395.882)误差计算理论值：当 U=5V时，f 729.17 Hz当 U=5.5V时，f 802.08 Hz当 U=6V时，f 875.00 Hz当 U=6.5V时，f 947.92 Hz当 U=7V时，f 1020.83 Hz当 U=7.5V时，f 1093.76 Hz当 U=8V时，f 1166.67 Hz当 U=8.5V时，f 1239.59 Hz当 U=9V时，f 1312.51 Hz当 U=9.5时，f 1385.42 Hz当 U=10V时，f 1458.34 Hz当 U=5V时，f的相对误差：(705.01729.17)705.01100%3.42%当 U=5.5V时，f的相对误差：(747.31802.08) 747.31100%7.3%当 U=6V时，f的相对误差：(831.88875.00) 831.88100%5.18%当 U=6.5V时，f的相对误差：915,89947.92) 915,89100%3.50%当 U=7V时，f的相对误差：(986.051020.83) 986.05100%3.53%当 U=7.5V时，f的相对误差：(1054.331093.76) 1054.33100%3.74%当 U=8V时，f的相对误差：(1126.431166.67) 1126.43100%3.57%当 U=8.5V时，f的相对误差：(1196.491239.59) 1196.49100%3.60%当 U=9V时，f的相对误差：(1258.991312.51) 1258.99100%4.25%当 U=9.5V时，f的相对误差：(1333.111385.42) 1333.11100%3.92%当 U=10V时，f的相对误差：(1395.881458.34) 1395.88100%8.96%3)误差分析1）电路的参数设计不是最合理的2）测量仪器不精确3）信号发生器的示数跳动，引起读数有误差。4）电路焊接时有些地方没焊好5)不是理想运放6）12V没有绝对达到七、结论与心得经过查找资料，参考数据，终于将电压转换成频率的原理图弄出来啦！一开始抽到这个题目的时候觉得自己太背啦！怎么抽到老师没有讲过的内容，一点头绪也没有，总之就在拖延时间，也为自己找到借口，但随着抽测的日子越来越近，心里也开始着急，发现我就是这样，若是不给我太多的空间，我才有一股强烈的力量想要把事情干完，穷途末路吧！至于电源部分是老师给的原理图，经过仿真，我修改了最后两个电阻的数据，觉得更加合适，但当我拿到个实验室的时候，开始还不敢插电源，可能是怕大电容万一装反啦!引起爆炸！尽管我已经检查过很多遍，是对的，人有时候就是不太相信自己，后来插上电源，结果没有示数，心着实是凉啦！最怕的事情还是发生啦！我拿过来检查就是没发现错误，能怎么办？只能拿回其实再专研专研啦！结果拿给寝室人看，就知道为什么啦！原来我不小心把本来想要剪断的导线忘记剪啦！我看了那么多遍就是检查不出来，别人一看就清楚啦！可能是我心里就没承认有错，总认为自己是对的，真是当局者迷旁观者清啊！再拿回实验室的时候，发光二极管亮啦！测的的数据也符合要求，这个电源部分也就告一段落。随后的电压转换频率是一团雾水，只能去查找相关资料，到理科预览室看了蛮多相关知识。再经过各方面的配合，原理图是终于诞生啦！经过仿真，效果也还不错，但理想与现实总是有差距的，当我拿到实验室调试时波形是出来啦！可是图形不怎么理想，误差非常大，可是设计的参数是固定的，已经没法调节，误差太大，得分也就低，既然想做就要做好，就像不想当将军的兵不是好兵！所以说当我们在做某件事情的时候，一定要多思考，也要为自己多留条后路。这样即便出现了问题也不会手足失措，没有可以解决的方案。后来问了老师，他也给我们提供了建议，采纳之后，波形的确好多啦！非常高兴，尽管误差还是有的，也就是因为太高兴了吧!我也没有过多的去调节电位器，就匆匆的记录了数据，当天下午我的搭档去测啦！经过仔细认真的调节他将误差调到了最小，这也让我知道，当你成功时，不应该太急切的去享受成功，而是应该想是不是还有更好的，精益求精！这原本让我觉得特别难完成的任务，最终还是搞定啦！回头想想也有中成就感，当你在做一件事情的时候，不应该先给自己画一个圈，不然会很难跨出去，而且在面对问题的时候总是把问题想的很难很难，或许问题本来不难，但最终也会被你想的很难!当然面对问题也不能掉以轻心！现在总在讨论电脑的利弊，科技的好坏啊！这也让我想到“双刃剑”这个词，若是没有图书馆的资料，网络资源，我的设计或许可能还没出来，参考他人的资料，提取有用的信息，来达到自己的目标，但是有些人只是一味的抄袭他人的东西，没有自己的元素与内容！都知道什么都是靠自己的，可以害人也可以帮人，就取决于你怎么个用法！有时会觉得自己没有价值，但当我成功的做成某事时，就能找到那种令人骄傲的感觉，或许做的不是最好，