东华大学线性VF转换课程设计报告.docx
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东华大学线性VF转换课程设计报告
东华大学
线性V/F转换
课程设计报告
信息科学与技术学院
一、设计概述1
二、设计任务及要求1
(1)设计任务1
(2)性能指标要求1
三、设计方案选择2
1.方案一及框图2
2.方案二及框图2
3.方案原理优缺点比较3
四、设计思路3
1、输入信号:
电源分压电路4
2、阻抗变换:
电压跟随器4
3、基准源5
4、积分电路5
5、脉冲输出电路6
6、开关电路7
7、总电路图7
五、计算机仿真8
六、实际组装与调试9
1.电路器件表9
2.总输出波形10
3.实际连接电路11
4.组装和调试过程12
七、数据分析及改进13
(1)数据处理13
(2)数据分析13
(3)根据数据分析所得改进方法14
八、心得与体会15
九、参考文献16
十、附录16
一、各器件引脚图17
二、手绘电路图17
一、设计概述
线性V/F转换器是压控振荡器中完成外加电压和输出频率线性变换的部分。
通过本次课程设计,应在了解线性V/F转换器设计原理及构成的基础上,利用集成运算放大器、积分电路以及脉冲电路等构成整个小系统,通过改变输入电压,实现对信号输入频率的线性变换。
二、设计任务及要求
(1)设计任务
选取基本集成放大器LF353、555定时器、三极管、电阻、电容和稳压管等元件,设计并制作一个简易线性V/F转换器。
首先在multism仿真软件上进行电路设计和原理仿真,选取合适电阻参数,通过输出波形的频率测试线性V/F转换器的运行情况。
其次在硬件设计平台上搭建电路,并进行调试,通过示波器观测电路的实际输出波形。
最后将电路实际输出波形与理论分析和仿真结果进行比较,分析产生误差的原因并提出改进方法。
(2)性能指标要求
●电源电压:
±12V;
●输入信号:
直流信号0~10V可变;
●输出信号:
频率为0~10kHz对应;
●精度:
误差小于±30Hz;
●波形要求:
脉冲宽度20~40μs、0~10V矩形波。
三、设计方案选择
1.方案一及框图
(1)方案一:
用压频转换器件(AD650)与单片机(51或msp430系列)结合使用。
原理图如下:
外围相关数字及模拟电路
原理简述如下:
输入信号输入压频转换器件,得到一定频率信号,采用单片机的计数器/定时器来测量频率,并对结果通过外围电路进行调控进而得到非常理想的电压--频率的线性转换关系。
2.方案二及框图
(2)方案二,利用反向积分器,以及555单稳态触发器,三极管模拟控制开关搭建电路。
原理图如下:
原理简述如下:
直流电压信号经过阻抗变换后送到积分器输入端,得到三角波,以控制脉冲输出,脉冲的高低电平来控制反馈中的模拟开关闭合与断开。
通过设置参数使积分器输出过零时触发脉冲输出电路开始输出Tw宽度脉冲,周而复始形成振荡,得到输出频率与输入信号呈线性关系。
3.方案原理优缺点比较
方案一,在10KHZ频率范围内,AD650的线性误差度仅为20ppm(满量程的0.002%),精度符合要求,但是相关器件太贵,且没有相关器材,所以不选择此方案。
方案二,555单稳态,以及模拟开关(三极管),353积分电路搭建的电路,实现的压频转换在10Khz范围内,能实现相当高的转换精度,大约在几HZ左右(干扰过大除外),且器件均为常见的简易器件,电路搭建方便,易于操作和理解。
在满足设计任务的条件下,经济实惠,具有较高的性价比,故选择此方案二。
四、设计思路
本实验线性V/F转换电路的设计,主要由积分电路,脉冲输出电路,反馈控制电路组成。
总电路的设计:
通过阻抗变换得到相应输入电压,并输入积电路得到脉冲输出电路的电压控制信号(锯齿波),经由脉冲来控制反馈中的三极管的导通和关闭,实现通过基准源来调控积分时间的长短,来进一步调控脉冲输出(矩形波)的电压控制信号(锯齿波)如此周而复始,形成震荡,实现电压到频率的线性转换。
1、输入信号:
电源分压电路
电源电压为12v,电压输出范围为0~10v,所以选择一个R0=2k?
的电阻与一个10k?
的滑动变阻器串联,电压可调最大值为10v,可以满足0~10v所有值,符合要求。
2、阻抗变换:
电压跟随器
共集电路的输入高阻抗,输出低阻抗的特性,使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用,能够使得后一级的放大电路更好的工作。
电压隔离器输出电压近似输入电压幅度,并对前级电路呈高阻状态,对后级电路呈低阻状态,因而对前后级电路起到“隔离”作用。
基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点,即输出电压不受后级电路阻抗影响。
一个对前级电路相当于开路,输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用,即使前、后级电路之间互不影响。
为保证输入电压0~10v不变,则必须保证其滑变的传入电路阻抗不变,加入一个电压跟随器,可以使后续电路不影响滑变的阻抗,使输入电阻保持不变,反馈电路中接一电阻,以平衡输入端,提高跟随精度。
3、基准源
使用一个3v的稳压管,接入电路即可,能提供一个-3v的稳定电压。
选择R10为1k?
电阻保护稳压管。
4、积分电路
利用集成运放可以构成精度高、线性好的压控振荡器。
积分电路输出电压变化的速率与输入电压的大小成正比,如果积分电容充电使输出电压达到一定程度后,使它迅速放电,然后输入电压再给它充电,如此周而复始,产生振荡,其振荡频率与输入电压成正比,即压控振荡器。
积分电路采用运放构成的反相积分电路,运放的同相端接入10k?
的失调电阻,反向端同样串入一个5.1k?
的电阻,然后再与10k?
滑变串接,保证其对称性,减少失调电流引起的误差。
滑动变阻器可以调节输出锯齿波的周期,二极管起到保护运放的作用。
5、脉冲输出电路
单稳态触发器只有一个稳定状态,一个暂稳态。
在外加脉冲的作用下,单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。
由于电路中RC延时环节的作用,该暂态维持一段时间又回到原来的稳态,暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。
脉宽Tw=1.1RC,R7=3k?
C2=0.01uf由计算得Tw=33us,此电路构成单稳态触发器,当积分电压过零时触发单稳(VC≤1/3VCC)。
输出宽度一定的脉冲去控制积分器。
所以当U0=0V时,单稳态触发电压:
Vc=1/3VCC=4v,则Vc=R2/(R2+R3)=1/3VCC
从而推导出R2与R3的关系:
R2:
R3=1:
2,取R2为1k?
则R3为2k?
。
6、开关电路
晶体三极管的实际开关特性决定于管子的工作状态。
晶体三极管输出特性三个工作区,即截止区、放大区、饱和区。
如果要使晶体三极管工作于开关的接通状态,就应该使之工作于饱和区;要使晶体三极管工作于开关的断开状态,就应该使之工作于截止区,发射极电流iE=0,这时晶体三极管处于截止状态,相当于开关断开。
积分电路先对基准源进行定时线性积分到一定电压高度Uh,触发脉冲输出F控制积分电路自动切换到对输入信号反向积分,到积分电压过零时积分控制电路又转为对基准源积分。
周而复始形成震荡,产生脉冲输出。
电路采用二次积分方法进行转换,当恒定宽度正脉冲输出时,信号反馈到输入端控制开关闭合。
此时积分器对-Ur进行正向积分,而积分电压Uc的高度Uh与基准电压以及充放电常数有关。
一旦输出脉冲消失,开关S截止,积分器对Ui反向积分直到过零。
相关参数的计算:
由设计任务分析得到,R8与R9是偏置电阻,其必须满足当脉冲输出电路为低电平(即为“0”)时,三极管不导通,即是b和e电位差小于管压降0.7,Ve=-3v,则Vb的取值为小于-2.3v,所以此时:
Vb=-R8/(R8+R9)*Vcc。
设R8=R9=1k?
则此时,Vb=-R8/(R8+R9)*Vcc=-6v<-2.3v,满足条件,脉冲输出电路输出电压为高电平(即为“1”)时,此时满足Vb>-2.3v,
Vb=R8/(R8+R9)*(Vi+Vcc)=-1V>-2.3V,满足条件,三极管导通,
进而可以通过一定输出宽度的脉冲可以控制积分器的积分动作。
对于R10的选取:
为了防止流入稳压管的电流过大,接入一个限流电阻,取R10=1k?
。
7、总电路图
五、计算机仿真
multism仿真图像:
仿真调试相关事项:
(1)滑动变阻器Rw2主要调节整个电路的周期,对脉冲宽度影响很小,使其周期满足条件要求,电阻R3主要来调节脉冲宽度,使脉冲调到要求范围内。
(2)为了满足脉冲的宽度在20us~40us,因为Tw=1.1RC,R3为单稳触发器的6、7脚所接电阻,取电容C=0.01uf时,电阻R7=3k?
时即可满足。
(3)为了要满足产生脉冲的频率和输入电压误差在所要求的范围内(30Hz),通过调节滑动变阻器Rw2可逐步实现误差达到理想的范围内,观察仿真波形和周期选择满足条件的阻值。
(4)考虑到流过稳压管的电流范围,三极管基集电阻设定为R10=1K欧左右时可以满足。
(5)为了保护运放,在反向积分电路中加入了二极管。
使积分输出端为0时,反向截至。
(6)如果三角波的幅值没达到要求,可以通过调节三极管集电极的电阻来控制产生的锯齿波的幅值。
六、实际组装与调试
1.电路器件表
元器件名称
个数
电阻,电容
若干
直流稳压电源
1个
万用表
1个
双踪示波器
1个
集成运放LF353
1个
555定时器
1个
三极管9013
1个
稳压二极管(3v)
1个
导线
若干
10k滑动变阻器
2个
2.总输出波形
(1)Ui=5V
(2)Ui=10v
脉宽、频率与理想状态基本保持一致,符合要求。
3.实际连接电路
4.组装和调试过程
(1)器件参数的选择
经过各个模块参数的详细计算,基本可以确定电阻和电容等器件参数的选取。
电路图中C取0.01uf、Rw1、Rw2为10千欧滑动变阻器、R0为2千欧、R6为5.1千欧,R1为1千欧,R2为2千欧,R3为3千欧,R7、R8、R9、R10都为1千欧。
(2)电路连接
电路连接过程需要特别细心,我曾因为电路连接错误而花了一下午的时间找出错误,最后采取分块检查错误的方法改正了电路,即刻出现稳定的脉冲波。
检查积分器时,用函数发生器输入方波,能出三角波,则积分器工作,反之,则不工作。
检查555时,输入一定幅值的矩形波,如果555能输出矩形波,则正常工作,反之则不工作。
(3)调节误差
使用设定好参数的电阻,但出的波形频率却和仿真结果有很大差距,因此需要自己调节Rw2找出合适阻值,不能完全依照仿真结果。
调节滑动变阻器使当输入信号为10v时,输出信号频率非常接近10kHz,然后改变输入电压,观察输出频率是否满足误差范围,不满足则反复调节Rw2,直到满足30Hz误差以内。
七、数据分析及改进
(1)数据处理
周期t
电压
V
第一次测量的数据/kHz
第二次测量的数据/kHz
平均值/kHz
理想频率值/kHz
误差值
/Hz
10V
10.005
10.002
10.0035
10.0
3.5
9V
9.008
9.003
9.0055
9.0
5.5
8V
8.004
8.002
8.003
8.0
3
7V
7.003
7.004
7.0035
7.0
3.5
6V
6.002
5.998
6.000
6.0
0
5V
4.999
4.992
4.995
5.0
5
4V
3.994
3.993
3.994
4.0
6
3V
2.997
2.996
2.997
3.0
3
2V
2.002
1.998
2.000
2.0
0
1V
1.000
0.9975
0.9987
1.0
2.3
注:
电压均为跟随器的输入电压。
(2)数据分析
作电压和频率图像,可以求出频率和电压的线性关系。
如图可以看出,基本为线性关系。
由上述实验数据分析可以看出:
本次课程设计设计的电路基本上将误差控制在了几HZ的误差以内,在误差允许范围内基本符合了要求,这些误差很有可能是来自电源不稳定,测量读数不准,测量仪器显示精度,导线电阻不可忽略,接触不良等方面造成的误差,虽然会有部分因器件,导线之间相互作用产生的感抗,容抗,引起的误差,由以上数据看出但其对精度影响并不大,所以总体来说设计电路基本符合实验要求。
(3)根据数据分析所得改进方法
从实验数据中反应出设计电路的精度基本符合要求,线性基本满足条件如果想继续改进,则有如下所述改进方法:
1、在不同输入电压的情况下,加强调节失调电阻,使得线性误差进一步减小;
2、对整个电路的相关参数进行微调,获得满意的效果;
3、在电源的正负极,555单稳态8号脚和地之间接一个大电容(本实验为470uf),排除杂音信号。
4、在积分电路反相端加二极管可保护运放。
八、心得与体会
在实验过程中,我学会了熟练操作multism、EWB仿真软件,并培养了我的动手能力。
本实验原理和电路不复杂,可过程并不太顺利,比如在仿真时,遇到了没有波形、波形失真等问题,在同学的帮助下,我发现是仿真电路连接有问题,改正错误后便立刻输出正确的波形,而参数的稍稍改动,就能解决仿真图像失真问题。
此外我发现理论和实际存着很大的差别,在调整误差的过程中,multism上的输出频率比较精确,而且波动起伏大,一直难以稳定下来,于是我花了一天的时间条件调节仿真电路的电阻参数。
而在实际电路里,选择理论计算得到的参数,便很容易地调到了误差范围内的输出频率,因此仿真电路的输出频率与实际电路输出差别很大。
而在实际电路的连接中,我也遇到了不少问题,一开始没有波形输出,于是我分块检查电路,也曾一度心烦意乱,等我回到宿舍静下心来仔细检查电路后,又发现了电路连线上的错误,调整之后,很快便能得到稳定输出的波形。
本次课程设计带给我的收获不小,综合了模电和数电课知识,而在搭接电路时,也让我发现自己需要更细心和耐心,在本专业学习中,这两点也尤为重要。
比如连接电路时最好分块采用不同颜色的线,而且要尽量使线路简洁明了,在帮同学检查电路时,很多缠绕复杂、交叉、跨接的线路让我看得很烦恼,而往往连接复杂的线路也容易把自己绕晕,因此连接电路时细节可谓是关键的。
与此同时,加强同学和老师之间的交流也让我受益良多,当我面对问题毫无头绪的时候,交流带给我新的思路,在此非常感谢帮助过我的老师和同学。
通过这次实验,我看到了自己的不足,提高了我的动手能力和独立思考,查阅资料,交流合作等方面的能力,也让我学到了很多课本里学不到的东西,细心可以减少很多不必要的麻烦,也唯有静下心来,才能找到问题的所在。
九、参考文献
(1)华成英童诗白主编《模拟电子技术基础(第四版)》高等教育出版社2006-5-1
(2)杨上河主编《电子技术试验与模拟电子技术课程设计》
十、附录
1.各器件引脚图
2.手绘电路图