电压频率转换课程设计

目录目录 第一章第一章 设计指标设计指标 1 设计指标 1 第二章第二章 设计方案及方案确定设计方案及方案确定 1 2 1 设计思想 1 2 2 各功能的组成及原理分析 1 2 3 总体工作过程 13 第三章第三章 电路的组构与调试电路的组构与调试 15 3 1 遇到的主要问题 15 3 2 现象记录及原因分析 15 3 3 解决措施 16 3 4 电路的检测 16 第四章第四章 结束语结束语 17 心得与体会 17 参考文献参考文献 19 器件表器件表 19 附图附图 电路总图电路总图 20 小信号 100mv 电压 频率变换 1 第一章第一章 设计指标设计指标 设计指标设计指标 1 设计内容 设计内容 小信号 100mv v f 变换 2 设计要求 设计要求 1 输入 0 100mv 小信号电压线性变换成 0 10KHz 频率输出 2 设计精度 1 既误差不超过 10Hz 3 输出波形 脉冲波 脉冲宽度 tw 20 40 s 第二章第二章 设计方案及方案确定设计方案及方案确定 2 1 设计思想设计思想 输入为 0 100mv 的小信号线性转换成 0 10KHz 的输出频率 可先将 0 100mv 的小信号电压线性转换成 0 10v 的电压输出 然后再将其转换成 0 10KHz 的频率输出 2 2 各功能的组成及原理分析各功能的组成及原理分析 1 0 100mv 电压输出电压输出 小信号 100mv 电压 频率变换 2 电源电压输出为 12V 要产生 0 100mv 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 0 时 滑动变阻器两端的电压为 0V 当滑动 变阻器的阻值为 1K 时 滑动变阻器两端的电压为 100mv 电阻选择 电阻选择 110K 电阻一个 9 1K 电阻一个 1K 滑动 变阻器一个 滑动变阻器两端电压为输出电压 电路连接如图一所 示 VCC 12V R1 110k R2 9 1k R3 1K LIN Key A 50 VCC 1 2 0 图 1 分压电路产生 0 100mv 电压 2 电压放大电压放大 1 仪表放大器的特点 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 小信号 100mv 电压 频率变换 3 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 Ri Rs 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 共模部分 其数值有时远大于差模信号 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 2 基本电路 基本电路 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 二所示的电路的基础上演变而来 根据运放的基本分析方法 在图 二所示电路中 小信号 100mv 电压 频率变换 4 图二 放大器典型结构 输出电压 Uo Rf 1 2R1 Rs R3 Uid 式 2 1 其中 R1 R2 R3 R4 当放大器 A1 A2 的输入相等等于 Uic 时 既 Uid 0V 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 当输入信号中含有共模噪声时 也将被抑制 由于 要使输入为 0 100mv 的电压放大为 0 10V 既放大倍 数为 100 根据式 2 1 Uo Rf 1 2R1 Rs R3 Uid 取 Rf 50K R3 1 K R1 10 K RS 20 K 因 Rs 是一滑动 变阻器 故取其阻值为 100 K 调节滑动变阻器的阻值 使放大电 路的放大倍数为 100 小信号 100mv 电压 频率变换 5 3 电压跟随器电压跟随器 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 输入阻抗要达到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隔离级 因为 电压 放大器的输出阻抗一般比较高 通常在几千欧到几十千欧 如果 后级的输入阻抗比较小 那么信号就会有相当的部分损耗在前级 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 小信号 100mv 电压 频率变换 6 4 积分电路积分电路 积分电路的输入电压 u1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 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 u1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 小信号 100mv 电压 频率变换 7 R1 4 3k R2 200K LIN Key A 50 1 U1 OPAMP 5T VIRTUAL R3 4 3k 3 0 C1 10nF D1 1BH62 2 5 6 图四 积分电路 此设计中积分电路的电阻部分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 而电容部分则采用了一个 0 01 f 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 相关计算 令输入电压为 10V 则根据积分电路的计算公式则有 可以推出 10V 10V T 其中 dtu RC u IO 1 RC 1 T 1 F 0 01ms 因为要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 T RC 1 小信号 100mv 电压 频率变换 8 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构成的施密特触发器 1 555 定时器的电路结构和控制特性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 定时器内部由比较器 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 3VCC 和 1 3VCC A1 和 A2 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 则 V0 0 正常工作时 4 接 小信号 100mv 电压 频率变换 9 为高电平 5 脚为控制端 平时输入 2 3Vcc 作为比较器的参考电平 当 5 脚 外接一个输入电压 即改变了比较器的参考电平 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 01 F 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 表一 555 定时器的功能表 2 施密特触发器 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 小信号 100mv 电压 频率变换 10 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 555555 定时器构成的施密特触发器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入 端 OUT 作为输出端 便构成了一个施密特反相器 图七图七 555555 构成的施密特触发器构成的施密特触发器 1 工作原理工作原理 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 小信号 100mv 电压 频率变换 11 向阔值电压和负向阔值电压分别为 VT 2 3Ucc VT 1 3Ucc 根据根据 555 定时器功能表一可知 定时器功能表一可知 1 当 ui处于 0 ui 1 3Ucc 上升区间时 OUT 1 2 当 ui处于 1 3Ucc ui 2 3Ucc 上升区间时 OUT 仍保持原 状态 1 不变 3 当 ui处于 ui 2 3Ucc 区间时 OUT 将由 1 状态变为 0 状 态 此刻对应的 ui值称为复位电平或上限阈值电压 4 当 ui处于 1 3Ucc ui 2 3Ucc 下降区间时 OUT 保持原来 状态 0 不变 5 当 ui处于 Ui 1 3Ucc 区间时 OUT 又将由 0 状态变为 1 状 态 此刻对应的 ui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 UT表示 即 UT UR1 UR2 1 3Ucc 2 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 小信号 100mv 电压 频率变换 12 图八 施密特触发器 OUT 端的输出波形 6 模拟开关电路模拟开关电路 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 Re 1K 模拟开关电路如图九所示 小信号 100mv 电压 频率变换 13 VCC 12V D1 02BZ2 2 0 Re 1 0k 1 Rc 200 2 3 R1 20k R2 20k 4 VCC 5 图九 模拟开关电路 7 调零电路调零电路 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 以达到调零的效果 小信号 100mv 电压 频率变换 14 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 流过的电流微乎其微 很难达到调零的效果 故在此设计中 滑动 变阻器的阻值选为 1 K R1 100k R2 100k R3 100k R4 1K LIN Key A 50 VCC 12V VEE 12V VCC 1 2 VEE 34 图十 调零电路 2 3 总体工作过程总体工作过程 整个电路用来实现 VOC 压控振荡器的功能 作用是将 0 100mv 的输入电压线性转化成为 0 10KHz 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 小信号 100mv 电压 频率变换 15 VCC 12V R1 120k 0 10mH VAR Key A 50 VEE 12V R2 1 0k R3 1 0k 10k 4 2 R5 10k 6 3 R6 51k R7 100k R8 100k R9 100k 7 R11 10K LIN Key A 50 1 R10 1K LIN Key A 50 8 9 10 VCC 12V VCC R12 51k 11 5 R13 4 3k 100K LIN Key A 50 13 12 R15 4 3k 15 0 R16 200 16 R17 1 0k D1 5 V 17 0 R18 20k R19 20k VEE 18 VCC OUT 555 TIMER RATED GND DIS OUT RST THR CON TRI VCC VCC 12V VCC C1 10nF 20 0 21 C2 10nF D2 1BH62 1914 VCC 电压电压 频率转换的工作原理 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 3Vcc 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 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 小信号 100mv 电压 频率变换 16 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 遇到的主要问题遇到的主要问题 主要问题 主要问题 1 电压不能线性放大 既输入为 0 100mv 时 输 出并非为 0 10V 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 输入的小信号电压调不到 100mv 4 调零误差 3 2 现象记录及原因分析现象记录及原因分析 现象现象 1 当输入电压为超过 5mv 时 输出电压即为 10V 2 输出波形极其宽 无论如何改变输入信号 频率几 小信号 100mv 电压 频率变换 17 乎不变 3 在上一天做的电路 第二天无论如何调节滑动变阻 器 均不能调出 100mv 4 调节滑动变阻器的阻值 使其接近于零点时 万能 表的示数很不稳定 原因分析 原因分析 1 滑动变阻器的有效阻值调得过小 使得其放大倍 数超过 100 倍 2 反相积分电路的电容取值过大 使得充电时间过 长 3 与滑动变阻器串联的固定电阻取值过大 仪器的 误差 4 零位调节不准确 3 3 解决措施解决措施 解决措施 解决措施 1 调节滑动变阻器的阻值 使输出与输入电压成线 调节滑动变阻器的阻值 使输出与输入电压成线 性放大关系 性放大关系 2 更换电容 将本来 更换电容 将本来 2200nF 的电容改为的电容改为 0 01uF 的电容 的电容 3 重新连线 选择电阻 并测试其输出是否可调至 重新连线 选择电阻 并测试其输出是否可调至 100mv 4 更换滑动变阻器的阻值 更换滑动变阻器的阻值 小信号 100mv 电压 频率变换 18 3 4 电路的检测电路的检测 1 接通电源后 调节小信号产生端的滑动变阻器 观察其输出 是否在 0 100mv 之间 若不是 改变固定电阻的阻值 使其输出 在 0 100mv 之间 2 输入小信号电压 经过放大电路放大后 改变信号输入值 测量电压跟随器的输出电压 观察其是否满足与输入小信号的 100 倍关系 若不满足 则调节放大电路中的滑动变阻器的划片 使输 出电压与输入电压成线性关系 3 使输入电压为 0V 观察电压跟随器的输出是否为零 若不 是 调节调零电路中的滑动变阻器 使其输出为 0V 4 观察示波器的输出波形的频率 与电压跟随器的输出是否成 线性关系 若不是 则调节反相积分电路的电阻值 使电压与频率 满足线性关系 第四章第四章 结束语结束语 收获与体会收获与体会 两周的课程设计 相较于之前所作的数电课程设计 此次更增 加了自己的动手实践能力 理论与实践还是有一定的差距的 在理 论上不管多精确的数据 一旦用于实际中 就不得不考虑其仪器 小信号 100mv 电压 频率变换 19 器件的误差 以及自己操作上的能力 而且 比起以往只要照着电路连线做实验 这次更添加了自己的思 考 该选择怎样的电阻 电容 想要修改最后的输出 应该在什么 地方做改变 虽然是一些很基础的东西 但仅仅是书上的理论学习 会让人对知识遗忘得比较快 相反 通过自己动手实践过的东西 会更加记忆深刻 看着自己连接出来的电路 并且系统是活的 还 是挺有成就感的 虽然还有很多问题存在 但也经常找不到问题到底出在哪儿 就像最初示波器显示的波 形宽度很宽 想到老师说 开关电路中三极管的集电极电阻是调节 脉冲宽度的 于是我就改变了开关电路的集电极电阻 可是脉冲宽 度依然很宽 于是我开始翻数电和模电的课本 看相关的内容 却 还是想不出该怎么办 看到旁边的同学做出