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线性F/V转换电路设计与调试(模拟电路)

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存在着一年 发表于 2019-1-10 18:25 | 显示全部楼层 |阅读模式

目录

第一章、设计概述与要求

一、设计概述

二、设计任务及要求

(一)设计任务

(二)设计要求

第二章、设计方案与论证

一、设计原理

二、原理框图

三、单元电路方案论证

第三章、单元电路设计与分析

一、输入信号

二、交流信号放大电路

三、波形转换电路

四、微分电路

五、单稳电路

六、滤波电路

七、直流放大电路

第四章、电路的组够与调试

一、遇到的主要问题和解决方案

二、实验数据记录

第五章 总结

第六章 仪器、仪表、元器件介绍

参考文献:

附:电路总图





第一章、设计概述与要求
一、设计概述

线性F/V转换在很多场合均有应用,如涡流计量计、脉冲转速表、调频遥测技术中恢复原始信号等。它把输入的频率信号直接变换成直流电压输出信号,并且此直流电压输出与输入信号的频率成正比。

通过本次课程设计,应在了解线性F/V转换器设计原理及构成的基础上,利用集成运算放大器、单稳电路、滤波电路以及信号放大电路等构成整个小系统,设计完成一个线性F/V转换器,通过改变输入信号的频率,实现对直流输出电压的线性变换。

二、设计任务及要求
(一)设计任务

选取基本集成放大器LF353、555定时器、二极管和电阻、电容等元器件,设计并制作一个简易的线性V/F转换器。首先,在EWB软件平台环境下进行电路设计和原理仿真,选取合适的电路参数,通过输出波形的直流电压值测试线性F/V转换器的运行情况。其次,在硬件平台上搭建电路,并进行电路调试,通过数字万用表观测电路的实际输出电压值。最后,将该实际电压值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。

(二)设计要求
  • 输入频率为0~10kHz、幅度为20mV(峰峰值)的交流信号。
  • 线性输出0~10V的直流信号。
  • 转换绝对误差小于20mV(平均值)。
  • 1kHz时的纹波uopp小于50mV
第二章、设计方案与论证一、设计原理

F/V转换电路输出的直流电压幅值与输入信号的频率成正比例,且为线性关系。具体分析如下。

在单稳电路输出脉冲信号的高度uH及宽度tw确定的条件下,平均输出电压u0可表示为

其中,Ti为输入信号的周期。

及上式可得

其中,uH和fw为常数。由此可知,输出直流电压和输入信号的频率呈线性关系。

二、原理框图

输入信号经过放大和A/D转换电路,转换成合适的方波信号;然后通过单稳电路,形成宽度和高度相同的脉冲信号,但周期不同;再经过滤波电路转换成直流,最终通过信号放大,即为所要求获得的电压信号。

图1 原理框图

三、单元电路方案论证
  • 输入信号

输入信号由函数发生器产生,峰峰值为20mv,频率为0—10KHZ,正弦交流信号。

  • 交流信号放大电路

因提供给下一阶段——转换电路的电信号幅度单位为“伏”级,该放大电路可采用运放构成的两级放大器。应在保证输出波形不失真的前提下,满足下一个子电路的触发电平需要。一般来说,后一级的放大倍数要高于前一级的。该放大器应具有优异的动态性能和较强的共模抑制能力,下面给出二运放和三运放仪表放大器的典型电路图,作为参考。

(1) 二运放仪表放大器

图2所示为一个基本二运放仪表放大器的电路图:

图2 二运放仪表放大器电路图

当R1=R4,R2=R3 时,其差模增益可表示为:

注:共模信号输入端和输入ui处于相同的干扰源情况下,能有效抑制共模干扰对输出的影响。

(2)三运放仪表放大器

下图所示为一个基本三运放仪表放大器的结构。

图3 三运放仪表放大器电路图

其中令Rf1=Rf2

其放大倍数如下公式所示:

高共模一直的关键是电阻网络,当电阻匹配时,共模抑制能力较强。其中三运放仪表放大器较为常见,常用做心电图仪的前置放大电路。

  • 转换电路

若希望将正弦波或者三角波转换成矩形波,可采用多种方法进行A/D 转换,以下给出几种方案,供参考:

(1) 过零比较器

过零比较器用来确定前一阶段放大电路输出电压过零的时刻。其结构如图4 所示,当ui≥ 0 时,比较器输出uo为低电平;当ui<0时,比较器输出uo为高电平。

图4 过零比较器

过零比较器的优点是,结构简单,灵敏度高;其缺点是,抗干扰能力差。输入信号过零点时,容易产生抖动,造成输出信号的反复变化,不能够输出稳定的矩形波。

(2) 由555 芯片构成的施密特触发器

施密特触发器又称为电平触发的双稳态触发器,对于缓慢变化的信号仍然适用,当输入信号达到某一电压值时,输出电压会发生突变。当其输入信号上升达到正向阈值电压uT+或下降达到负向阈值电压uT-时,输出电平发生翻转。将555 定时器的阈值输入端(6 脚)和触发输入端(2 脚)连在一起,便构成了施密特触发器,如图5(a)所示。当输入如图(b)所示的三角波信号时,则从施密特触发器的uo端可得到方波输出。

(a)电路图                          (b)波形图

图5 由555 定时器构成的施密特触发器

如果将上图中5 脚外接控制电压uic,改变uic的大小,可以调节回差电压的范围。采用施密特触发器这种具有迟滞特性的转换电路,可以有效的提高其抗干扰能力。

另外有一点值得注意,因555 定时器的工作电源是正极性单电源,不能处理负极性信号,因此需要在此电路前端加上一个二极管,将之前的负极性信号滤除后,再作为555 的输入信号。

其示意图如图6 所示。

图6 滤除负极性信号电路

  • 单稳电路

单稳电路的作用是将前一模块输出的矩形波信号转换成高度和宽度一定的脉冲信号。单稳电路可由555 定时器外接一些阻容器件构成,其典型电路及工作波形如图7 所示:

(a)电路图                         (b)波形图

图7 由555 定时器构成的单稳态触发器

输入负触发脉冲加在低电平触发端(2 脚),以下降沿触发。图7(a)中R、C 是外接的定时元件,电路的输出脉冲宽度tw等于电容电压uc从0 上升到  Vcc所需的时间,故有:

由上式可知,该电路输出脉冲的宽度tw,仅取决于电路本身的参数(R、C 参数),而与电源电压、触发脉冲无关。通常外接电阻R 的取值范围为几百欧到几兆欧,外接电容C的取值范围为几百皮法到几百微法,相应tw为几微秒到几分钟。一般建议tw在20 ~ 30μs之间,当然脉冲信号越窄越好,但是受到的干扰信号也会越大。

值得注意的是,这种单稳电路要求输入触发脉冲的宽度小于输出脉冲的宽度tw ,否则应在ui和触发器输入端(2 脚)之间外加RC 微分电路。

由于前一模块转换电路的矩形波频率,是由初始的函数发生器产生的信号频率决定的,可能此时负脉冲的宽度会大于输出脉冲宽度,而RC 微分电路的特点是能突出反映输入信号的跳变部分,其时间常数τ = RC 很小,根据此特点,可把信号中跳变部分转变为尖脉冲而加以利用。(可加三极管构成反相器对微分波形进行整形)

  • 滤波电路

为了获得纹波较小的直流信号,可以采用二阶RC 低通滤波器来实现,其电路结构如图8 所示。该电路由电阻和电容构成,以实现对高频信号的衰减。二阶低通滤波器是由2 个一阶低通滤波器串联得到的。

图8 二阶RC 低通滤波电路

这类阻容滤波电路的滤波效能较高,能兼降压限流作用,适用于负载电阻较大,电流较小及要求纹波系数很小的情况。

  • 直流信号(同相比例)放大电路

当信号经过单稳电路和滤波电路后,幅度较小,故应采用放大电路线性放大该信号,以满足设计要求。如常见的由运放构成的同相比例放大电路就能实现,其典型电路如图9所示:

图9 同相比例放大电路

其增益可表示为:

注:电路中必须加量程调节电路。

  • 注意事项
  • 线性放大倍数必须满足转换要求。
  • 转换电路的输出脉冲高度与宽度必须选择合理且保持恒定。
  • 正确地选择滤波电路滤波时间常数。
  • 调试时应保持输入与输出的线性关系。
第三章、单元电路设计与分析一、输入信号

输入信号由函数发生器产生,峰峰值为20mv,频率为0—10KHZ,该设计选用的是正弦波,波形如图所示:

二、交流信号放大电路

以下是我的仿真电路图:

第一级放大倍数:Av1=-6.2747,Av1=68。因此放大倍数Av=-426.68.

在我的仿真电路中:Rf1=24K,Rp=9.1K,Rf=68K,R=1K;

仿真结果如下:

放大后的峰峰值为8.514V。

三、波形转换电路

我设计的波形转换电路如下:

仿真波形如下图所示:

其中滤除负极性信号电路采用2k电阻和二极管9013组成。

四、微分电路

我设计的微分电路仿真图如下:

仿真波形:(下跳变窄脉冲信号)

五、单稳电路

我设计的单稳电路仿真图如下:

仿真波形如下图:脉宽tw=28.409us

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=V TRI , U C=V TRI=V DIS。

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:

tw=RCln3≈1.1RC

六、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100~200Ω,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。

我设计的滤波电路仿真图如下:

仿真波形如下图所示:

1kHz时的纹波噪声约为5mV。

七、直流放大电路

我所设计的直流放大电路仿真图如图所示:

放大倍数Av=1+Rf/R=10,Rf通过滑动变阻器进行调节,R=1kΩ。

仿真波形如下图所示:

电路总图

第四章、电路的组够与调试
一、遇到的主要问题和解决方案

(1)第一次设计交流放大电路时参数选择不合理,导致或者出现放大波形的饱和或截止失真,或者出现通过后一级施密特触发器后方波失真。经过计算后,得出放大电压的峰峰值最好介于8V~20V之间,即放大倍数在400倍到1000倍之间。而放大倍数越高,越容易出现放大波形本身的失真和不稳定。因此最终选择400~500倍左右的放大倍数。

(2)微分电路的窄脉冲时间常数略大。由于时间常数,因此可以固定电容值0.01μf,通过减小R值,来减小时间常数。微分后的窄脉冲直接影响后一级单稳电路,因此需要微分脉冲的时间常数很小。

(3)最终输出的波形,随频率f的增大,会逐渐增大,但到达2V左右,发生跳变,即输出波形突然下移。出现这一问题的原因可能是单稳态电路的tw太大,经过排查,发现我设计的单稳电路tw为128微秒,而理想的tw应该在20~40微秒之间,因此我改变了单稳电路中R的值,使之减小了10倍,满足要求。

(4)纹波噪声过大,在滤波最后一级添加了滑动变阻器,使纹波噪声降到合适的范围内。

二、实验数据记录

频率(HZ)

1K

5K

10K

电压(V)

1.001

5.010

10.000

纹波噪声(mV)

29

37

46


第五章 总结收获

本次试验,能将书本上的只是和实际结合,连接电路进行测试。在实际中,遇到了相当多的问题,连出电路之后也会发生各种接触不良导致的波形出不来与误差,了解了自己在这些方面的不足。在理论知识方面,加深了对运放器的理解与运用,还有各种电脑模拟设计软件的操作,为将来的实践打下了基础。我理解了光理论掌握的好是远远不够的,实践起来与理论相差的特别多。通过不断地调试,并且与同学老师保持交流,最终解决了问题,收获了许多。

第六章 仪器、仪表、元器件介绍

元器件:

LF353集成运算放大器               2

555定时器                         2

电阻   1k                         6

       2k                         1

       2.2k                        1

       3k                         1

       9.1k                        1

       10k                         1

       24k                         2

       68k                         2

滑动变阻器103                     2

电容   0.1uf                       1

       0.01uf                       3

       100uf                       2

三极管                             1

二极管                             1

示波器                            1

函数发生器                        1

信号发生器                        1

数字万用表                        1



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