电压频率转换课程设计Word文档格式.docx

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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=20～40μs。

第二章设计方案及方案确定

2.1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

1.0～100mv电压输出

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0Ω时，滑动变阻器两端的电压为0V,当滑动变阻器的阻值为1KΩ时，滑动变阻器两端的电压为100mv。

电阻选择：

110KΩ电阻一个，9.1KΩ电阻一个，1KΩ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。

图1分压电路产生0～100mv电压

2.电压放大

1）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）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

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=50KΩ,R3=1KΩ,R1=10KΩ,RS=20KΩ,因Rs是一滑动变阻器，故取其阻值为100KΩ。

调节滑动变阻器的阻值，使放大电路的放大倍数为100.

3.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

4.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τ>

>

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τ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。

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0.01μf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：

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。

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

1）555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0.01μF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

施密特触发器是一种特殊的双稳态时序电路，与一般的双稳态触发器相比，它具有如下两个特点：

①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。

②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）555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。

图七555构成的施密特触发器

1）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，正向阔值电压和负向阔值电压分别为：

VT+=2/3UccVT-=1/3Ucc

根据555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ΔUT表示，即ΔUT=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：

图八施密特触发器OUT端的输出波形

6.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200Ω。

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=1KΩ。

模拟开关电路如图九所示：

图九模拟开关电路

7.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。

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1KΩ。

图十调零电路

2.3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。

电压/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

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：

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：

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：

1）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；

2）更换电容，将本来2200nF的电容改为0.01uF的电容；

3）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

3.4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。

第四章结束语

【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，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来的波形宽度都很窄，心里真的很着急。

后来觉得脉冲宽度只可能与电容的充电时间有关，于是想到了积分电路上的电容，时间应该跟RC有关，于是开始改变R的值，可是还是几乎没什么变化，最后才把2.2uF的电容改成了0.01uF，终于脉冲波变窄了，那时的心情真的很难说清楚。

整个课程设计过程，不仅是一个课程设计，也让我对于课本上的知识有了更深的了解，对于知识，也更加形象化了。

一味地只是看书本，背公式，计算题目，理论上好像都能理解的东西，一旦真正的应用于实践中，就会产生很多意想不到的惊喜与惊奇。

原来觉得很难想通或想到的内容，在实验中会不经意地发现“原来是这样”，自己当初怎么就想不到呢？

总而言之，虽然这样的课程设计，自己做的不是很多，电路框图及一些原理都是老师讲的，但还是觉得这样的课程是很有意义的。

【器件表】

1.多功能电子电路试验箱1个

包括（面包板1快，各种阻值的滑动变阻器若干）

2.LF353双运放集成芯片1片

3.LM324四运放集成芯片1片

4.555集成芯片1片

5.三极管1只

6.普通二极管1只

7.3V稳压二极管1只

8.定值电阻若干

9.0.01μF电容2个

10.导线若干

11.可调式双通道直流稳压稳流电源1台

12.双踪示波器1台

13.万用表1台

【参考文献】

模拟电子技术基础华成英童诗白主编清华大学电子学教研组编

数字电子技术基础张申科崔葛瑾编著电子工业出版社