电压频率转换课程设计

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1、目录第一章 设计指标 1设计指标. 1第二章 设计方案及方案确定 12.1 设计思想. 12.2 各功能的组成及原理分析. 12.3 总体工作过程, 13第三章 电路的组构与调试. 153.1 遇到的主要问题. 153.2 现象记录及原因分析. 153.3 解决措施. . 163.4 电路的检测. 16第四章 结束语 17 心得与体会 17参考文献 19器件表 19附图(电路总图 ). 20小信号(100mv) 电压/频率变换- 1 -第一章 设计指标【设计指标】 1.设计内容： 小信号（100mv ）v/f 变换2.设计要求： 1） 输入 0100mv 小信号电压线性变换成010KHz 频率

2、输出；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=2040s。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 010v 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 电压输出小信号(100mv) 电压/频率变换- 2 -电源电压输出为 12V，要产生 0100mv 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

3、动变阻器两端的电压）。当滑动变阻器的阻值为 0时，滑动变阻器两端的电压为 0V,当滑动变阻器的阻值为 1K时，滑动变阻器两端的电压为 100mv。电阻选择：110K 电阻一个，9.1K 电阻一个，1K 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。VCC12VR1110kR29.1kR31K_LINKey = A 50%VCC120图 1 分压电路产生 0100mv 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，多小信号(100mv) 电压/频率变换- 3 -数传感器的等效电

4、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RiRs，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

5、据运放的基本分析方法，在图二所示电路中小信号(100mv) 电压/频率变换- 4 -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 010V，既放大倍数为 100.根据式 2-1，Uo=-Rf（1+2

6、R1/Rs）/R3*Uid取 Rf=50K,R3=1 K,R1=10 K,RS=20 K,因 Rs 是一滑动变阻器，故取其阻值为 100 K。调节滑动变阻器的阻值，使放大电路的放大倍数为 100.小信号(100mv) 电压/频率变换- 5 -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

7、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

8、 。 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 电压跟随器小信号(100mv) 电压/频率变换- 6 -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 t p，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=t 1）。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。

9、时间常数 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，u 2是对 u 1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。小信号(100mv) 电压/频率变换- 7 -R14.3kR2200K_LINKey = A 50%1U1OPAMP_5T_VIRTUALR34.3k30C110nFD11BH62256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 0.01f的电容。在电容两端并联 二极

10、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dtuRCuIO1RC1T=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 。RC1小信号(100mv) 电压/频率变换- 8 -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

11、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 接小信号(100mv) 电

12、压/频率变换- 9 -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 0.01F 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，与一般的双稳态小信号(100mv) 电压/频率变换- 10 -触发器相比，它具有如下两个特点： 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

13、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。 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，正小信号(100mv) 电压/频率变换- 11 -向阔值电压和负向阔值电压分别为：VT+=2/3Ucc

14、VT-=1/3Ucc根据 555 定时器功能表一可知：（1） 当 ui 处于 0u i1/3Ucc 上升区间时，OUT = “1” 。（2） 当 ui 处于 1/3Uccu i2/3Ucc 上升区间时， OUT 仍保持原状态“1”不变。（3）当 ui 处于 ui2/3Ucc 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 1/3Uccu i2/3Ucc 下降区间时， OUT 保持原来状态 “0”不变。 （5）当 ui 处于 Ui1/3Ucc 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

15、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 U T 表示，即 U T = 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： 小信号(100mv) 电压/频率变换- 12 -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，R c 应该较小，故取 200。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