频率电压转换器文档格式.docx
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2.1设计思想
利用施密特触发器和若干电阻电容或其他数字芯片设计合理的电路，使输入的20mv交流电流转化成直流输出。
分析设计指标，输入信号幅度较小，因此需要先将信号放大，然后将放大后的信号通过与二极管并联，滤去低于0v的电压，经由555触发器，变为矩形波，经过积分电路和单稳触发器，形成脉冲，再通过滤波电路，得到直流电压。
由于会有干扰信号输入，所以，我们选择了差分放大电路，抑制共模信号，这样可以较好地消除输入信号中的干扰。
2.2各功能的组成
2.2.1输入信号
输入信号由函数发生器产生，有效值为20mv左右，频率为10KHZ，交流信号，可以是正弦波，方波和三角波。
2.2.2放大电路
放大电路由集成运放器构成差分放大电路和比例放大电路。
差分放大电路可以有效抑制共模干扰信号，并且将输入信号放大，以便触发后面电路中的施密特触发器。
输入信号的有效值为20mv，而施密特触发器的触发电压为8~12V，因此，放大电路部分需要放大400~600倍。
具体电路参数计算见本报告第三章。
2.2.3零比较器
将二极管负端与放大后信号相接，正端接地，这样可以使通过的信号滤去幅值为负的信号。
2.2.4施密特触发器（555）
施密特触发器的输入电压要求为2/3Vcc<
Uc<
Vcc，即为8V~12V。
信号输入后，就可输出周期性的方波。
2.2.5单稳态触发器
该单稳态触发器是由施密特触发器（即555）构成，输出窄脉冲信号。
2.2.6滤波电路
将脉冲信号经滤波转换为直流信号。
2.2.7调零电路
用于调节F/V零点精度。
2.3总体工作过程
整个电路是开环电路，从输入交流信号到最终输出直流信号，所需经历的过程如下图所示。
第三章单元电路设计与分析
整个电路是开环电路。
前后的模块不会相互影响。
所以为了更快更准确的设计运行电路，可以采用分块设计分块测试的方法。
以下是框内电路的具体设计方案和仿真电路草图。
电路都采用了EWB仿真。
3.1输入信号
输入信号由函数发生器产生，有效值为20mv左右，频率为10KHZ，该设计选用的是正弦波，波形如图3-1所示。
图3-1输入信号
3.2放大电路
由于下部分转换方波用到施密特触发器需要第一部分相应的放大信号，所以放大器的输出信号最大值必须大于施密特的2/3Vcc,即8v。
但信号不能大于12V，所以放大倍数约为400倍到600倍左右。
仪用放大器的优点在于抗干扰性强，输入阻抗高。
还需注意的一点是：
为了输出的放大信号波形更加清晰，设计放大器时，第一阶的放大倍数小于第二阶的放大倍数。
这样放打出来的信号的干扰波也会大大减小，使输出的波形清晰，以便于接下来的测试与计算。
放大倍数与各电阻阻值的计算：
V01=（1+2R1/R0）*Vi
VO2=（R4/R2）*VO1
AV=（1+2R1/R0）*R4/R2
参数的选择以及仿真电路图如图3-2所示。
图3-2放大电路
放大后波形如图3-3所示。
图3-3放大之后的波形
3.3零比较器和方波产生电路
该模块用到了二极管，施密特触发器（555）和其他电路元件。
施密特触发器的应用：
1、用于波形变换，可以将输入的三角波,正弦波和其他不规则的周期性电压信号转变成矩形信号输出；
2、用于脉冲整形；
3、用于脉冲幅度鉴别；
4、多谐振荡器；
5、单稳触发器。
该设计中用到的是它的第一个功能，产生方波。
EWB仿真图如图3-4所示。
图3-4零比较器与方波产生器仿真图
产生的方波如图3-5所示。
图3-5方波
3.4微分电路
由于单稳态电路需要下降沿脉冲触发，所以，需要将方波信号通过微分电路进行转换。
微分电路仿真图如图3-6所示。
图3-6微分电路仿真图
微分电路会产生一个下降沿脉冲，如图3-7所示。
图3-7下降沿脉冲
3.5单稳态电路
单稳触发器是在输入信号激励下，产生脉冲宽度恒定的输出信号。
555构成的单稳触发器，外部激励从出发端TRI（2脚）输入，阈值输入THR（6脚）和放电管的集电极开路输出端DIS（7脚）相连，并接到电容C即电阻R。
Ui=VTRI,UC=VTRI=VDIS。
单稳的工作原理：
稳态时，Ui为高电平Vcc。
Uc受放电管VT1控制。
如果555定时器输出高电平，VT1截止，电容充电将使Uc上升至Vref1,输出将变成低电平。
所以稳态时输出的高电平不可能保持。
如果555定时器输出低电平，VT1导通，将Uc锁定在低电平0.3V，由于Ui为高电平，该状态能保持。
所以由555定时器构成的单稳触发器在稳定时输出U0为低电平，电容电压Uc保持在0.3V左右。
当Ui输入负脉冲是时，TRI端电位低于Vref2;
而Uc仍为低电平，THR端小于Vref1,555定时器输出高电平，单稳触发器被触发。
U0=“1”，放电管VT1截止，电容开始充电，Uc开始上升，电路进入暂态。
当Uc上升到Vref1时，有两种情况。
如果此时触发信号已无效，TRI电位（Ui）回到高电平Vcc（大于Vref2）,555定时器就被自动复位，U0输出低电平，暂态过程结束。
放电管同时导通，电容通过放电管迅速放电，Uc下降，单稳触发器回到稳态。
如果此时触发器输入信号仍无效，Ui保持低电平，将出现THR输入大于Vref，TRI输入小于Vref2的情况，此时555定时器的位置功能优先，输出U0保持高电平，电路不能回到稳态。
直到Ui为高电平，555定时器才能被复位。
这样输出信号的脉冲宽度就受输入信号宽度控制，与电路参数无关。
参数计算：
单稳电路输出的高电平宽度（暂态时间）由电容的充电时间常数和Vref1决定。
在单稳电路的暂态过渡过程中，电容充电的初始值为0V，始终为Vcc。
但这个过程被终止在电容电压等于Vref1时。
Uc（0+）=0V;
Uc（∞）=Vcc；
Uc（Tpo）=Vref1;
t=RC
Tpo=RClnVcc/（Vcc-Vref1）
改变电容充电时间常数RC或555定时器的控制输入电平Vcon（控制Vref1）,都可以调节输出脉冲的宽度Tpo。
若不控制Vcon,Vref1=2/3Vcc,则Tpo=RCln3≈1.1RC
为了方便调节脉冲宽度，使用滑动变阻器代替原来的R。
仿真图如图3-8所示。
图3-8单稳态仿真电路
单稳态仿真电路产生一个宽度为20us的窄脉冲，仿真波形如图3-9所示。
图3-9窄脉冲仿真波形
3.6滤波电路
滤波电路的作用在于能够把输入信号的交流部分滤除，留下直流部分。
这里的R1阻值在100~200o电容的容值选择要偏大些。
实际操作过程中对于输出波形的精度调节，可以通过改变滑动变阻器的阻值来调节。
滤波电路仿真图如图3-10所示。
图3-10滤波电路仿真图
滤波后波形如图3-11所示。
图3-11滤波后仿真波形
3.7直流放大电路
应用比例放大电路，可以将1V的电平放大为10V。
仿真电路如图3-12所示。
图3-12
仿真波形如图3-13所示。
图3-13最终仿真波形
3.8调零电路
仿真电路为图3-14。
图3-14仿真电路图
第四章电路的组构与调试
4.1遇到的主要问题
1、放大电路部分，放大后的波形出现失真。
2、通过二极管后，信号幅值减半。
3、调精度时，零点误差较大。
4、F/V转换线性不理想。
4.2现象记录及原因分析
1、放大电路部分，放大后的波形出现失真波形如图4-1所示。
图4-1失真波形
原因分析，运算放大器的静态工作点没有设好。
解决办法，选择合适的电阻及静态工作点，消除失真。
4.3解决措施及效果
1、通过二极管后，信号幅值减半。
通过增加了一个比例放大电路，使幅值达到要求。
2、调精度时，零点误差较大。
通过增加了调零电路，使零点误差大大减小。
4.4功能的测试方法、步骤、记录的数据
（1）零点和满额状态调节精度方法：
先将输入信号调为100HZ，通过调零电路滑动变阻器的调节，将电压值调为100mv。
然后将输入信号调为10KHZ，通过比例放大电路滑变的调节，将电压值调为10V。
反复进行上述两个步骤，直至满足精度要求。
（2）数据记录
频率（HZ）
100
1K
5K
10K
电压（V）
100.9mv
1.001
5.01
10.007
分析：
精度在误差范围内，线性较好。
第五章结束语
本次模电课程设计大大激发了我对学习的积极性。
在设计电路时，巩固了上学期的模电知识，收获很多。
可是，在该实验过程中，我积累了电子电路应用、设计方面的知识，拓展了思维方式，而且通过对电子元件和电路器件的实际应用，进一步加深了对模拟电子技术课程理论知识的理解。
电路的排版需要事先设计好，不然到后面会很乱，出现压线的情况。
在进行电路连线时，耐心很重要，每一步都要很仔细，最后电路连成后，精度很高，受到了老师的表扬，很有成就感！
希望以后有时间还可以常到实验室来做其他的设计。
第六章器件表
⑴函数发生器x1
⑵双踪示波器x1
⑶交流毫伏表x1
⑷555定时器x2
⑸LF353x2
⑹定值电阻100Kx2,3Kx2,2Kx2,1Kx6,200x3,
100x3
⑺滑动变阻器100Kx1,3Kx1,1Kx2
（8）电容0.01ufx4,100ufx2
（9）二极管x1
（10）三极管x1
第七章参考文献
（1）模拟电子电路基础
（2）数字电路基础
附图频率电压转换器总图
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