目錄

第一章、設計概述與要求

一、設計概述

二、設計任務及要求

（一）設計任務

（二）設計要求

第二章、設計方案與論證

一、設計原理

二、原理框圖

三、單元電路方案論證

第三章、單元電路設計與分析

一、輸入信號

二、交流信號放大電路

三、波形轉換電路

四、微分電路

五、單穩電路

六、濾波電路

七、直流放大電路

第四章、電路的組夠與調試

一、遇到的主要問題和解決方案

二、實驗數據記錄

第五章 總結

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轉換在很多場合均有應用，如渦流計量計、脈沖轉速表、調頻遙測技術中恢復原始信號等。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。

通過本次課程設計，應在了解線性F/V轉換器設計原理及構成的基礎上，利用集成運算放大器、單穩電路、濾波電路以及信號放大電路等構成整個小系統，設計完成一個線性F/V轉換器，通過改變輸入信號的頻率，實現對直流輸出電壓的線性變換。

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，設計并制作一個簡易的線性V/F轉換器。首先，在EWB軟件平臺環境下進行電路設計和原理仿真，選取合適的電路參數，通過輸出波形的直流電壓值測試線性F/V轉換器的運行情況。其次，在硬件平臺上搭建電路，并進行電路調試，通過數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果進行比較，分析產生誤差的原因，并提出改進方法。

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

F/V轉換電路輸出的直流電壓幅值與輸入信號的頻率成正比例，且為線性關系。具體分析如下。

在單穩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。由此可知，輸出直流電壓和輸入信號的頻率呈線性關系。

輸入信號經過放大和A/D轉換電路，轉換成合適的方波信號；然后通過單穩電路，形成寬度和高度相同的脈沖信號，但周期不同；再經過濾波電路轉換成直流，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

• 輸入信號
  

輸入信號由函數發生器產生，峰峰值為20mv，頻率為0—10KHZ，正弦交流信號。

• 交流信號放大電路
  

因提供給下一階段——轉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成的兩級放大器。應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電平需要。一般來說，后一級的放大倍數要高于前一級的。該放大器應具有優異的動態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構。

圖3 三運放儀表放大器電路圖

其中令Rf1=Rf2

其放大倍數如下公式所示：

高共模一直的關鍵是電阻網絡，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。

• 轉換電路
  

若希望將正弦波或者三角波轉換成矩形波，可采用多種方法進行A/D 轉換，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。其結構如圖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

過零比較器的優點是，結構簡單，靈敏度高；其缺點是，抗干擾能力差。輸入信號過零點時，容易產生抖動，造成輸出信號的反復變化，不能夠輸出穩定的矩形波。

（2） 由555 芯片構成的施密特觸發器

施密特觸發器又稱為電平觸發的雙穩態觸發器，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，輸出電平發生翻轉。將555 定時器的閾值輸入端（6 腳）和觸發輸入端（2 腳）連在一起，便構成了施密特觸發器，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 定時器構成的施密特觸發器

如果將上圖中5 腳外接控制電壓uic，改變uic的大小，可以調節回差電壓的范圍。采用施密特觸發器這種具有遲滯特性的轉換電路，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

• 單穩電路
  

單穩電路的作用是將前一模塊輸出的矩形波信號轉換成高度和寬度一定的脈沖信號。單穩電路可由555 定時器外接一些阻容器件構成，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 定時器構成的單穩態觸發器

輸入負觸發脈沖加在低電平觸發端（2 腳），以下降沿觸發。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（R、C 參數），而與電源電壓、觸發脈沖無關。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，這種單穩電路要求輸入觸發脈沖的寬度小于輸出脈沖的寬度tw ，否則應在ui和觸發器輸入端（2 腳）之間外加RC 微分電路。

由于前一模塊轉換電路的矩形波頻率，是由初始的函數發生器產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τ = RC 很小，根據此特點，可把信號中跳變部分轉變為尖脈沖而加以利用。（可加三極管構成反相器對微分波形進行整形）

• 濾波電路
  

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，其電路結構如圖8 所示。該電路由電阻和電容構成，以實現對高頻信號的衰減。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很小的情況。

• 直流信號（同相比例）放大電路
  

當信號經過單穩電路和濾波電路后，幅度較小，故應采用放大電路線性放大該信號，以滿足設計要求。如常見的由運放構成的同相比例放大電路就能實現，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節電路。

• 注意事項
  

• 線性放大倍數必須滿足轉換要求。
• 轉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間常數。
• 調試時應保持輸入與輸出的線性關系。
  

輸入信號由函數發生器產生，峰峰值為20mv，頻率為0—10KHZ，該設計選用的是正弦波，波形如圖所示：

以下是我的仿真電路圖：

第一級放大倍數：Av1=-6.2747，Av1=68。因此放大倍數Av=-426.68.

在我的仿真電路中：Rf1=24K，Rp=9.1K，Rf=68K，R=1K；

仿真結果如下：

放大后的峰峰值為8.514V。

我設計的波形轉換電路如下：

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。

我設計的微分電路仿真圖如下：

仿真波形：（下跳變窄脈沖信號）

我設計的單穩電路仿真圖如下：

仿真波形如下圖：脈寬tw=28.409us

單穩觸發器是在輸入信號激勵下，產生脈沖寬度恒定的輸出信號。555構成的單穩觸發器，外部激勵從出發端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。

單穩電路輸出的高電平寬度（暫態時間）由電容的充電時間常數和Vref1決定。在單穩電路的暫態過渡過程中，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RC或555定時器的控制輸入電平Vcon（控制Vref1）,都可以調節輸出脈沖的寬度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節，可以通過改變滑動變阻器的阻值來調節。

我設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。

我所設計的直流放大電路仿真圖如圖所示：

放大倍數Av=1+Rf/R=10，Rf通過滑動變阻器進行調節，R=1kΩ。

仿真波形如下圖所示：

（1）第一次設計交流放大電路時參數選擇不合理，導致或者出現放大波形的飽和或截止失真，或者出現通過后一級施密特觸發器后方波失真。經過計算后，得出放大電壓的峰峰值最好介于8V~20V之間，即放大倍數在400倍到1000倍之間。而放大倍數越高，越容易出現放大波形本身的失真和不穩定。因此最終選擇400~500倍左右的放大倍數。

（2）微分電路的窄脈沖時間常數略大。由于時間常數，因此可以固定電容值0.01μf，通過減小R值，來減小時間常數。微分后的窄脈沖直接影響后一級單穩電路，因此需要微分脈沖的時間常數很小。

（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，發生跳變，即輸出波形突然下移。出現這一問題的原因可能是單穩態電路的tw太大，經過排查，發現我設計的單穩電路tw為128微秒，而理想的tw應該在20~40微秒之間，因此我改變了單穩電路中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。

本次試驗，能將書本上的只是和實際結合，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生各種接觸不良導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計軟件的操作，為將來的實踐打下了基礎。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。通過不斷地調試，并且與同學老師保持交流，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

函數發生器                        1

信號發生器                        1

數字萬用表                        1

F-V轉換電路-模擬電路課程設計.doc (638 KB, 下載次數: 53)

2019-1-10 18:24 上傳

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