模电课程设计 电压频率转换.docx
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模电课程设计电压频率转换
章节目录
1.设计内容及要求……………………………………………
2.方案选择……………………………………………………
3.单元电路设计………………………………………………
4.总电路描述…………………………………………………
5.调试问题及解决方法………………………………………
6.总电路图……………………………………………………
7.最终实验数据及分析………………………………………
8.器件表………………………………………………………
9.参考资料……………………………………………………
10.心得体会……………………………………………………
（一）、设计内容及要求
一、课题：
V/F转换（压控振荡器VCO）
二、要求：
（1）输入电压为0~10V，输出信号为0~10KHz的脉冲波,两者呈线性关系；
（2）输出是脉冲，宽度
，幅度约为10V。
精度要求，最大误差20Hz。
（3）布局布线整齐合理。
（2）、方案选择
方案一双D实现vco:
方案二光耦合v/f转换装置：
方案三利用反向积分电路，及555单稳电路等搭建。
本电路器材相对比较简单，价格便宜，故本实验采用方案三
（1）、单元电路设计
一、电源及分压电路
这里R1=2kΩ,结合串联电路分压定律，从而确保滑动变阻器在滑动的过程中，端口的输出电压能够顺利地取到0至10V之间的所有值。
2、电压跟随器：
对失调电阻的计算：
为了使电路的输出在整个电压输入的范围内平均误差最小，则取Rw=5kΩ时，计算失调电阻，由运算放大器及深度反馈知识可得：
R2=5//（5+4.7）=3.3（kΩ）
引入电压跟随器是为了进行阻抗变换，使得电源的内阻对后面的电路不产生影响，从而确保后面电路在压控转换中的良好线性。
3、反相积分电
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。
仿真波形如图：
四、555单稳态电路：
R
C
Tw=RCln3通过改变RC的值，改变输出脉冲波的周期。
OUT角输出波形：
5、开关电路
R3
R2
R1
1K
-12V
各个部件的数值计算：
R1和R2是偏置电阻，使输入高电平时三极管导通，输入低电平时三极管截止。
为了防止稳压管电流过大，接入R3=1K。
为了让反相充电电流较大且保证在三极管导通时（相当于开关电路导通的状态）电位为“-”，R2应该较小。
（4）、总电路描述
仿真调试：
（1）为了要满足产生脉冲的频率和输入电压误差在20Hz内，通过调节滑动变阻器RW2即可满足（RW=11K左右），误差在很小的范围内，通过仿真，误差几乎可以忽略，即很理想。
所以，用了一个5K的定值电阻和一个10K的滑动变阻器即可。
（2）为了满足脉冲的宽度在20ms~40ms，因为Tw=RCln3，单稳的6，7脚所接电阻，电容当C=0.01uf时，电阻R=2K时即可满足，所以R=2K,C=0.01uf。
（3）考虑到流过稳压管的电流范围，三极管基集电阻设定为1K时可以满足。
（4）为了保护运放，在反向积分电路中加入了二极管。
（5）通过调节三极管集电极的电阻可以控制产生的锯齿波德幅值，这里如R=700欧姆，可满足要求。
通过调试，EWB仿真出的波形为：
（5）、调试问题及解决方法。
下面仅就本人在调试过程中所遇到的问题以及其他同学遇到的问题进行讲述，并陈述解决方法。
问题1:
按照EWB仿真好的电路参数搭好电路后，上电之后，示波器没有出现波形。
答：
这说明积分电路没有工作。
可能有一下原因：
①运算放大器的V+和V-没有按要求接好；②555芯片8号脚没有加工作电压；③电路中的参数不合理。
相应的修改方法：
对于①②两种情况，只要检查芯片相应的引脚和相应的的电源是否接好；对于情况③，则要麻烦一些，要求对电路重新进行计算，根据计算不断修改器件参数，对各部分功能电路模块分块进行排查，确保各个部分的正常工作。
问题2:
我得到了波形，但是显示的频率不对。
先调节变阻器Rw，使得输入电压为10V。
在此情况下，将结果输出接在示波器上，调节变阻器R，使示波器上一个完整波形的间隔时间为ΔT=48us即可。
问题三：
我已经得到了设计要求中的转换频率，但是误差较大，线性度也不是很好。
答：
除了反复多次根据要求调节变阻器R3来减小误差外，还可以调节电压跟随器和反相积分电路中两个运算放大器的失调电阻，通过减少失调来减小误差，追求更好的线性性质。
问题四：
电路检查了若干遍，可就是出不来波形。
答：
同学遇到这种情况，弄了一下午也不知道怎么回事，我去看了下，我先看了下电源，发现电源供电有问题，把电源弄好后就出来波形了。
问题五：
下面是我和同学经常出错的地方
答:
1运放的引脚弄错了，当然出不来波形，这个通过检查引脚及检测引脚的电压可以发现的。
2二极管及稳压管方向反了，可用万用表检测方向。
3稳压管正向击穿了。
这个可以通过检测稳压管的端电压可以发现的。
4当然还有部分同学线路连接错了，却在检查时不认真没有发现。
检查电路要认真。
（6）、总电路图
一、功能描述：
整体电路的功能是一个压控振荡器，即将0~10V的电压输入线性转换成0~10kHz的频率信号输出。
二、原理描述：
连接好整体电路以后，接通电源，
（2）端为“+”，通过反相积分器后，（3）端为“-”，则送入555芯片TRI脚的电压小于5V，OUT输出高电平，产生触发脉冲。
高电平使开关电路部分的三极管导通，则有β>>1，IC=IE，即相当于（4）端通过两个电阻直接接到了-3V的稳压管上。
此时，
（2）端电位为“-”，通过反相积分器后，（3）端为“+”,则送入555芯片TRI脚的电压大于5V，OUT输出低电平。
开关电路部分的三极管截止，则相当于
（2）直接接在电压跟随器上，
（2）脚的电位再次变为“+”。
此后又进入了前一段所述的电路状态。
以上两个阶段循环往复，从而使555芯片构成的单稳电路按照反响积分器所规定的周期得到触发，形成设计要求的波形。
三、结构描述：
这是一个变相的反馈电路。
由555芯片构成的单稳电路OUT输出来控制开关电路三级管的工作状态，控制反相积分器输入电位的极性，进而对单稳电路的工作状态进行反馈。
整个电路由多个功能模块组成，必须对电路各个部分要分别进行测量和调试，才能确保实现设计内容中对压控转换的高精度要求。
仿真结果图：
（7）实验数据及分析
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
计算得到的理想值/kHz
误差
/Hz
10V
9.999
9.999
9.999
10
1
9V
8.999
9.000
9.0
9.0
0
8V
8.001
8.001
8.001
8.0
1
7V
6.998
6.998
6.998
7.0
2
6V
5.997
5.998
5.998
6.0
2
5V
5.000
5.000
5.000
5.0
0
4V
3.998
3.997
3.998
4.0
2
3V
2.997
2.997
2.997
3.0
3
2V
2.002
2.002
2.002
2.0
2
1V
1.003
1.002
1.002
1.0
2
注：
（1）表中电压为输入电压，即电压跟随器后送入积分电路的电压；
（2）表中周期为最终得到的方波的频率的倒数，即T=1/f。
周期数据便于从示波器上读出，且精度较高。
实验数据处理
利用图像法处理实验数据，得到相应的误差分析：
由上述实验数据分析可知：
设计的电路基本上将误差控制在了1%以下，而且这些误差很有可能是来自测量误差以及测量仪器的误差，所以设计电路基本符合实验要求。
从实验数据中反应出设计电路的精度基本符合要求，但线性还有待进一步改进，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）对整个电路的参数进行微调，获得满意的效果；
（3）加强电源和积分器的滤波，排除杂音信号。
（8）器件表
A、可调式双通道直流稳压稳流电源1台
B、LF353双运放集成芯片1片
C、555集成芯片1片
D、三极管1只
E、二极管1只
F、稳压值为3V的稳压管1只
G、面包板1块
H、10kΩ滑动变阻器2只
I、定值电阻
700Ωx1
1kx1
2kx2
5kx1
10kx3
20kx1
J、0.01uF电容2个
K、万用电表（带表棒）1台
L、导线若干
M、双踪示波器1台
（9）参考资料
（1）《模拟电子技术基础（第四版）》华成英童诗白主编高等教育
出版社
（2）《数字电子技术基础（第二版）》杨颂华冯毛官等编著西安电
子科技大学出版社
（3）《电路（第五版）》邱关源主编高等教育出版社
（10）心得体会
对我而言，这是一次很有意义的实验设计课。
它让我明白了自己动手的重要性，也让我明白了理论和实验的相辅相成以及实验和单纯理论的区别所在。
以前的上课都是听老师讲课，根本不知道怎么样将自己学到的知识运用到实际中去。
然而现在我明白了，要真正地掌握知识和技能，仅仅学习书本上的知识是远远不够的，还要依靠实验加深自己对知识的理解和应用。
在课程设计的第一次课上，在老师的讲解下我完成了电路图，但是对整个电路中所有元器件的参数都没能精确地进行计算。
有的器件都已经忘了它的作用了，像555连它的引脚都忘了，以前学过的知识似乎差不多都还给老师了。
不得不回到宿舍拿起以前的课本再复习一遍。
将忘掉的部分重新学习一遍，这让我收获颇多。
接下来的时间里我的任务是仿真，用的是EWB软件，用起来比较简单，但是就是出不来图像。
后来问了老师和同学才知道我的运放规格选错了，应该用LF353的。
还有有的参数跟正确的参数相差很大，我们就一起讨论，一起推演。
这让我认识到在学习中跟同学们交流像老师请教的重要性，一个人的思维是有限的，集思广益才会有更大的发展、更大的提高。
EWB仿真好后就去实验室，在实验室，老师给我们指出了怎样出电路原理图，怎样规范作图，发现我们的电路图有很多很多的不规范的地方。
在老师的指导下我把电路图改了一下，然后就兴致勃勃的连接电路图了，经过一个下午的连接，终于把电路图连接好了，可是上电后，示波器没有一点波形，顿时就没办法了，我犹豫了一会，就有用了好长的时间把电路检查了一遍，发现有一个地方没连上，连好后，还是没有波形。
弄了一晚上，结果还是没出来。
第二天又去了实验室，把电路又重新彻底的有检查了一遍，把布线不规范的地方修改了下，结果一下子就有波形了，顿时很兴奋，当天把波形调的差不多了，第三天又去实验室，把每个要求都调出来了。
在老师验收的那一天，我有细致的调节了电路，进一步把精度调高了，能做到误差在10hz内，甚至有点没有误差，大部分在5hz内。
通过这次实验，我觉得自己在很多方面都有进步。
首先，我通过实验，对原来数电和模电课本中的知识进行了复习和更加深刻的理解；其次，在实验的过程中，我有时会觉得烦躁，但是这些情绪最后都被我一一克服，这告诉我做工程需要耐心和持之以恒的精神；最后，通过这次实验，让我看到了自己在各方面的不足，动手能力，独立思考能力，团队合作能力，都得到了提高。
在此感谢那些对我很有耐心的老师。
这次的课程设计让我收获很多。
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