电压频率和频率电压转换电路的设计.docx

设计一个V/F转换器，研究其产生的输出电压的频率随输入电压幅度的变化关系。1绪论(1)电压/频率转换即v/f转换，是将一定的输入信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。它的功能是将输入直流电压转换频率与其数值成正比的输出电压，故也称电压控制振荡电路。如果任何一个物理量通过传感器转换成电信号后，以预处理变换为适宜的电压信号，然后去控制压控振荡电路，再用压控振荡电路的输出驱动计数器，使之在一定时间间隔内记录矩形波个数，并用数码显示，那么可以得到该物理量的数字式测量仪表。图1数字测量仪表电压/频率电路是一种模/数转换电路，它应用于模/数转换，调频，遥控遥测等各种设备。F/V转换电路F/V转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号。这种电路主要包括电平比拟器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。它有通用运放F/V转换电路和集成F/V转换器两种类型。1.1 设计要求设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波的电路,要求包括：积分器；电压比拟器和一个将给定频率的矩形波转换为直流电压的电路，要求包括：过零比拟器、单稳态触发器、低通滤波器等。1.2 设计指标(1)输入为直流电压O-IOV,输出为f=0-500Hz的矩形波。(2)输入Ui是(TlOKHZ的峰-峰值为5V的方波，输出U。为01OV的直流电压。2设计内容总体框图设计2.1V/F转换电路的设计工作原理及过程积分器和滞回比拟器首尾相接形成正反应闭环系统，如图2所示，比拟器输出的矩形波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比拟器自动翻转形成矩形波，这样便可构成三角波，矩形波发生器。由于采用集成运放组成的积分电路，因此可以实现恒流充电，能够得到比拟理想的矩形波。通过分析可知，矩形波幅值大小由稳压管的稳定电压值决定，即方波的幅值O1.M。1pz1矩形波的振荡频率f=-÷4%C模块功能积分器：积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即输入电压与输出电压的积分成正比。滞回比拟器：用来输出矩形波，积分器得到的三角波可触发比拟器自动翻转形成矩形波。稳压管：用来确定矩形波的幅值。图2总体框架图2.2功能模块的设计积分电路工作原理积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即输入电压与输出电压的积分成正比。由于同相积分电路的共模输入分量大，积分误差大，应用场合少，所以不予论述，本课程设计用到的是反相积分电路。图3积分器反相积分电路如图3所示，电容器C引入交流并联电压负反应，运放工作在线性区。由于积分运算是对瞬时值而言的，所以各电流电压均采用瞬时值符号。由电路得因为“-”端是虚地，即U-=O,并且式中c(0)是积分前时刻电容C上的电压，称为电容端电压的初始值。所以把心代入上式得R当C(O)=O时假设输入电压是图所示的阶跃电压，并假定G(O)=O,那么t>=0时，由于%=E,所以由此看出，当E为正值时，输出为反向积分，E对电容器恒流充电，其充电电流为E/R,故输出电压随线性变化。当,向负值方向增大到集成运放反向饱和电压Ua时,集成运放进入非线性工作状态，uo=Uol保持不变，图3所示。如输入是方波，那么输出将是三角波，波形关系如图4所示。当时间在04期间时，ui=-E电容放电当tF1时，uo=+Uom当时间在期间时，%=+七电容充电，其初始值所以当t=r2时，uo=-Uom.如此周而复始，即可得到三角波输出。图4波形变换上述积分电路将集成运放均视为理想集成运放，实际中是不可能的，其主要原因是存在偏置电流，失调电压，失调电流及其温漂等。因此，实际积分电路UO与输入电压关系与理想情况有误差，情况严重时甚至不能正常工作。解决这一情况最简便的方法是，在电容两端并接一个电阻勺，利用号引入直流负反应来抑制上述各种原因引起的积分漂移现象。但R/C数值应远大于积分时间，即T/2,T为输入方波的周期否那么的自身也会造成较大的积分误差，电路如图4所示.滞回比拟器简单的电压比拟器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，如果输入信号因受干扰在阀值附近变化，如下图，现将此信号加进同相输入的过零比拟器，那么输出电压将发生不应该出现的跳变，输出电压波形如下图。用此输出电压控制电机等设备，将出现错误操作，这是不允许的。滞回比拟器能克服简单的比拟器抗干扰能力差的缺点，滞回比拟器如图5所示。滞回比拟器具有两个阀值可通过电路引入正反应获得。图5滞回比拟器按集成运放非线性运用特点，根据以下公式可得知，输出电压发生跳变的临界条件是_=+O从图5可得当时所对应的均值就是阀值，即当uo=Uol时得上阀值：当人=U°h时得下阀值：由阀值可画出其传输特性。假设/为负电压，此时输出为Ud,对应其阀值为上阀值U77n。如逐渐使%上升，只要%>U77n,那么输出将不变,直至%>=U77n时，+_,使输出电压由Ud突跳至qw,对应其阀值为下阀值UM2再继续上升，W+>W_关系不变，所以输出心=U.不变。之后Ui逐渐减少，只要%>U7h2，输出JUT“2仍维持不变，直至叫<二Unn时，U+<=U-,输出再次突变，由Uoh下跳至UdO其同相滞回比拟器的传输特性如图6所示。同样的方法可求得反相滞回比拟器的阀值电压和传输特性：其传输特性如图6所示。显然，改变UR即可改变其阀值，从而改变了传输特性，图6所示是Ur=O的情况，此时，两个电路的传输特性均以纵轴对称。图6传输特性稳压管稳压二极管的工作原理是利用PN结的击穿特性。稳压二极管反向击穿后的伏安特性是十分陡峭的，也就是说，通过稳压管的电流有很大变化时，其两端电压变化却很小，几乎是恒定的。利用这种特性可以构成所要求的稳压电路，为限流电阻，用来限制稳压管中的最大电流。输入电压或负载发生变化而引起稳压管电流变化时，输出电压即稳压管两端电压几乎为一恒定值。图7稳压二极管2.3F/V总电路图设计原理方波和三角波发生电路形式的选择由集成运放构成的方波和三角波发生器的电路形式比拟多，但通常均由滞回比拟器和积分电路组成。按积分电路的不同，又可分为两种类型：一类是由普通RC积分电路和滞回比拟器构成，另一类由恒流充放电的积分电路和滞回比拟器组成。常用的三角波和方波发生电路是由集成运放组成的积分器和滞回比拟器组成，如图7所示。由于采用了由集成运放组成的积分器，电容C始终处在恒流充，放电状态,使三角波和方波的性能大为改善，不仅能得到线性度较理想的三角波，而且也便于调节振荡频率和幅度。CO%S2图8V/F总电路原理图图9V/F转换波形图分析图7所示电路可知，方波和三角波的振荡频率相同，其值为方波的输/=_!_旦出幅度由稳压管OZ决定，方波经积分后得到三角波，因此三角波噂旦输出的幅度为电路元件的%m=黄匕选择及参数确实定(1)集成运算放大3器的选择输出由于方波的前后沿时间与滞回比拟器的转换速率有关，当方波频率较(几十千赫兹以上)或对方波前后沿要求较高时，应选择高速集成运算放大器来组成滞回比拟器。(2)稳压管的选择稳压管的作用是限制和确定方波的幅度。此外，方波幅度和宽度的对称性也与稳压管的对称性有关。为了得到稳定而且对称的方波输出，通常选用高精度双向稳压二极管，如2DW7o"是稳压管的限流电阻，其值根剧所用稳压管的稳压电流来确定。(3)分压电阻&和R2阻值确实定号和R2的作用是提供一个随输出方波电压而变化的基准电压并由此决定三角波的幅度输出。所以R3和R2的阻值应根据三角波输出幅度的要求来确定。例如，½=6v,假设要求三角波的峰值为匕川=4箕,那么假设取Rz=IOK,那么用=151(o当要求三角波的幅度可以调节时，Rl和与那么可用电位器来代替。(4)积分元件及和C参数确实定%和C的值应根据方波和三角波发生器的振荡频率力来确定。当分压电阻与和&的阻值确定后，先选择电容。的值然后确定凡的阻值。对于图7所示电路，为了减小积分飘移，应尽量将电容C取大些。但是电容量大的电容漏电也大。方波和三角波发生电路的调试方法方波和三角波发生电路的调试,应使其输出电压幅度和振荡频率坊铝浦足授计要求。为此，可用示波器测量方波和三角波的频率和幅度。调整电阻Rl的阻值，可以改变振荡频率力；调整电阻R2和%的阻值，可以改变三角波的输出幅度。2.4频率/电压转换电路的设计频率/电压转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号O这种电路主要包括电平比拟器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。它有通用运放频率/电压频率/电压转换电路和集成频率/电压转换器两种类型。图9频率/电压转换电路原理框图2.5功能模块的设计过零比拟器过零比拟器的工作原理是将输入信号与OV地电压进比拟来判定输出是高电平还是低电平，例如反相输入端输入的过零比拟器在输入正弦信号时，在正弦波的正半周时输出为低电平，而在正弦波的负半周时输出为高电平。这样就把正弦波变成矩形波了，当然它还可以将三角波等波形变换为矩形波。过零比拟器，顾名思义，其阈值电压Ut=OVo电路如图9（八）所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+Uom或-Uom。当输入电压UkoV时，Uo=+Uom;当输入电压ui>0V时，Uo=-Uomo因此，电压传输特性如图9(b)所示。图10过零比拟电路及电压传输特性单稳态触发器我们知道，因为触发器有两个稳定的状态，即。和1,所以触发器也被称为双稳态电路。与双稳态电路不同，单稳态触发器只有一个稳定的状态。这个稳定状态要么是0,要么是Io单稳态触发器的工作特点是：（1）在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态；（2）在受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入“暂稳态:假设稳态为0,那么暂稳态为1。（3）经过一段时间，单稳态触发器从暂稳态返回稳态。单稳态触发器在暂稳态停留的时间仅仅取决于电路本身的参数。图H单稳态触发电路此电路可用在一些自动控制系统中。电阻RI、R2组成分压电路，为运放Al负输入端提供偏置电压U1.作为比拟电压基准。静态时，电容Cl充电完毕，运放AI正输入端电压U2等于电源电压V+,故Al输出高电平。当输入电压Ui变为低电平时，二极管Dl导通，电容Cl通过Dl迅速放电，使U2突然降至地电平，此时因为U1>U2,故运放AI输出低电平。当输入电压变高时，二极管DI截止，电源电压R3给电容CI充电，当Cl上充电电压大于Ul时，既U2>U1,Al输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。显然，提高Ul或增大R2、Cl的数值，都会使单稳延时时间增长，反之那么缩短。如果将二极管Dl去掉，那么此电路具有加电延时功能。刚加电时，U1>U2,运放Al输出低电平，随着电容CI不断充电，U2不断升高，当U2>U1时，AI输出才变为高电平。低通滤波器低通滤波器是容许低于截至频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。低通滤波器原理：它是利用电容同高频阻低频,电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频,利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过，对于需要的低频，利用电容高阻、电感低阻的特点是它通过。一个可以作为低通滤波器的简朴电路包括与一个负载串联的电阻以及与负载并联的一个电容。电容有电抗作用阻止低频信号通过，低频信号经过负载。在较高频率电抗作用减弱，电容起到短路作用。这个区分频率也称为转换频率或者截止频率(HZ)由所选择的电阻和电容所确定。图12低通源波器原理图2.6F/V总电路图设计原理包括以上分析的三个局部：电平比拟器，单稳态触发器和低通滤波器。图13F/V总电路图设计原理如图10运放构成的F/V转换电路。放大器Nl及R3、R4构成电压比拟器，二极管VDl>VD2为输入限幅保护；N2及RI、R2、R5、R6、R、C、R7、R2、VT2构成低通滤波器；N3为隔离用输出放大器。当有输入信号Ui时，比拟器NI将输入信号转换相同频率的方波u,再经过微分电容Cl和二极管VD3把上升的窄脉冲送至单稳态N2的输入端。在常态下UN为负电位、N2输出为高电平，三极管VT1、VT2导通，u2为低电平。Nl送来的正脉冲使N2翻转、输出变为低电平；这时VTI截止，u2变为高电平(其值为稳压管VS的稳压值Um),uN保持在高电平UH,其值为UH=R1×Um/(R1+R2)÷R2×(-E)/(R1+R2)同时VT2截止，使电容C被+E通过R充电，N2同向输入UP随之变化，其值为Up(t)=up(8)+up0÷)-up(8)-tt式中,up(8)=E；up0+)=R6×E/(R+R6)o当C被充电到up2UH时，N2再翻转到达稳定状态，充电时间经历TW,它的值为TW=RCInE-up(0+)/E-UH转换电路的各点电压波形关系如图I1.图12所示，通低滤波后，电路输出电压平均值为uO=Tw×Um×fi从而完成了输入频率fi到输出模拟电压的转换。图14转换前的波形图15转换后的波形3设计心得两周的课程设计，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。虽然是一些很根底的东西，但仅仅是书上的理论学习，会让人对知识遗忘得比拟快，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。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，理论上好似都能理解的东西，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”，自己当初怎么就不到呢？4元器件清单:原件型号个数集成运算uA7412电容4晶体二极管2DW71电阻6晶体二极管2CW131晶体三极管90121稳压二极管4.31运算放大器uA7412集成运算uA741X2二级管VDl电容Cl集成运放NI电容Xl二级管VD2电容C2电容C晶体二极管2DW7NJM4151芯片稳压管VS电阻R1,R2,R3,电阻X6二级管VD3集成运放N3电阻R4,R5,R6晶体二极管2CW13Xl二级管VD4集成运放N2电阻R7,R8,R9