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电压频率与频率电压转换电路的设计

更新时间:2019-08-04 16:49:03 点击数:184

  电压频率与频率电压转换电路的设计__职业教育_教育专区。电压频率与频率电压转换电路的设计

  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,以预处理变换为合适的电压信 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。 (2)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 路主要包括电平比较器、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 比较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:过零比较器、 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 0-10V, 输出为 f=0-500Hz 的矩形波。 (2)输入 ui 是 0~10KHZ 的峰-峰值为 5V 的方波,输出 uo 为 0~10V 的直流电压。 2 设计内容 总体框图设计 2.1 V/F 转换电路的设计 2.1.1 工作原理及过程 积分器和滞回比较器首尾相接形成正反馈闭环系统,如图 2 所示,比较器输出的 矩形波经积分器积分可得到三角波,三角波又触发比较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 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 恒流充电,能够得到比较理想的矩形波。 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 VOLM ? ?VZ 。 矩形波的振荡频率 2.1.2 模块功能 分成正比。 f ? 1 R3 4 R1C R2 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 滞回比较器:用来输出矩形波,积分器得到的三角波可触发比较器自动翻转形成 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 2.2.1 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。 第 2 页 共 14 页 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 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馈,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-=0,并且 uo ? ?uC ? u? uC ? 1 iC dt ? uC (0) C? 1 ui dt ? uC (0) RC ? 式中 uC (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 uo ? ? 把 iC ? i1 ? ui 代入上式得 R 1 uo ? ? ui dt ? uC (0) RC ? 1 ui dt RC ? 当 uC (0) ? 0 时 uo ? ? 若输入电压是图所示的阶跃电压,并假定 uC (0) ? 0 ,则 t=0 时,由于 ui ? E , 所以 uo ? ? 1 E Edt ? ? t ? RC RC 由此看出,当 E 为正值时,输出为反向积分,E 对电容器恆流充电,其充电电流 为 E/R,故输出电压随线性变化。当 uo 向负值方向增大到集成运放反向饱和电压 U OL 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,则输出将是三角波,波形关系如图 4 所示。 当时间在 0~ t1 期间时, ui ? ?E 电容放电 uo ? ? 1 t1 E ? Edt ? ? t ? 0 RC RC 当 t= t1 1 时, uo ? ?Uom 当时间在 t1 ~ t 2 期间时, ui ? ? E 电容充电,其初始值 uC (t1 ) ? ?uo (t1 ) ? ?Uom uC ? 1 t2 1 t2 Edt ? uC (t1 ) ? Edt ? U om ? RC t1 RC ?t1 所以 第 3 页 共 14 页 uo 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 1 E ? ?u ? Edt ? U ? ? t ?U ? RC RC t2 C t1 om om 当 t= t 2 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 的方法是,在电容两端并接一个电阻 R f ,利用 R f 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 引入直流负反馈来抑制上述各种 ,T 为输入方波 原因引起的积分漂移现象。但 R f C 数值应远大于积分时间,即 T/2 的周期否则 R f 的自身也会造成较大的积分误差,电路如图 4 所示. 2.2.2 滞回比较器 简单的电压比较器结构简单,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,如图所示,现将此信号加进同相输入的过零比较器, 则输出电压将发生不应该出现的跳变,输出电压波形如图所示。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。 滞回比较器能克服简单的比较器抗干扰能力差的缺点,滞回比较器如图 5 所示。 滞回比较器具有两个阀值可通过电路引入正反馈获得。 第 4 页 共 14 页 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 图 5 滞回比较器 按集成运放非线性运用特点,根据下列公式可得知,输出电压发生跳变的临界条 件是 u? ? u? 。 从图 5 可得 u? ? U R u? ? 当 u? ? u? R1 R U R ? 1 uo R1 ? R f Rf R1 R )U R ? 1 uo Rf Rf 时所对应的 u i 值就是阀值,即 UTH ? (1 ? 当 uo ? UOL 时得上阀值: UTH 1 ? (1 ? R1 R )U R ? 1 U OL Rf Rf R1 R )U R ? 1 U OH Rf Rf 当 uo ? U OH 时得下阀值: UTH 2 ? (1 ? 由阀值可画出其传输特性。假设 u i 为负电压,此时 u? u? 输出为 U OL ,对应其 阀值为上阀值 UTH 1 。如逐渐使 直至 u i = UTH 1 阀值 UTH 2 后 。 ui u i 上升,只要 u i UTH 1 ,则输出 uo ? UOL 将不变, 突跳至 UOH ,对应其阀值为下 不变。之 关系不变,所以输出 uo ? U OH 时, u? u? ,使输出电压由 U OL 再继续上升, u? u? , 输出 uo + UTH 2 ui 逐渐减少, 只要 u i UTH 2 ,输出再次突变,由 仍维持不变, 直至 u i = UTH 2 时, 。其同相滞回比较器的传输特性 u+=u- UOH 下跳至 U OL 如图 6 所示。 同样的方法可求得反相滞回比较器的阀值电压和传输特性: UTH 1 ? R f U R ? RU 1 OH R2 ? R3 第 5 页 共 14 页 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 UTH 2 ? R f U R ? RU 1 OL R2 ? R3 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=0 的情况,此时,两个电路的传输特性均以纵轴对称。 图6 2.2.3 稳压管 传输特性 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 2.3 F/V 总电路图设计原理 2.3.1 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较多,但通常均由滞回比 较器和积分电路组成。按积分电路的不同,又可分为两种类型:一类是由普通 RC 积 分电路和滞回比较器构成,另一类由恒流充放电的积分电路和滞回比较器组成。 第 6 页 共 14 页 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 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较器组成,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。 V C R3 R9 R4 uC + + N1 uP ∞ + + N2 R7 VS1 -U 图 8 V/F 总电路原理图 ui R1 ∞ - R8 uo VS2 VS3 R2 R5 -E R6 uC O U1 t U2 uP u OT U2 uo O 图 9 V/F 转换波形图 U1 T1 T2 t t 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 f ? 1 R3 4 R1C R2 方波的输出幅度由稳压管 DZ 决定,方波经积分后得到三角波,因此三角波输 出的幅度为 VOM 1 ? R2 Vz R3 第 7 页 共 14 页 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 2.3.2 电路元件的选择及参数的确定 (1)集成运算放大器的选择输出 由于方波的前后沿时间与滞回比较器的转换速率有关,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较器。 (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 2DW7 。 R3 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 R3 和 R2 阻值的确定 R3 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,已 知 Vz ? 6v ,若要求三角波的峰值为 Vom1 ? 4v ,则 若取 R2 =10K 电位器来代替。 (4)积分元件及和 C 参数的确定 ,则 R3 =15K 。当要求三角波的幅度可以调节时,R1 和 R2 则可用 R1 和 C 的值应根据方波和三角波发生器的振荡频率 fo 来确定。当分压电阻 R1 和 R2 的阻值确定后,先选择电容 C 的值然后确定 R1 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。 2.3.3 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 R1 的阻值,可 以改变振荡频率 fo ;调整电阻 R2 和 R3 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。这 种电路主要包括电平比较器、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 2.5.1 过零比较器 过零比较器的工作原理是将输入信号与 0V 地电压进比较来判定输出是高电平还 第 8 页 共 14 页 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 是低电平,例如反相输入端输入的过零比较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。过零比较器,顾名思义,其阈值电 压 UT=0V。 电路如图 9(a)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 uI0V 时,UO=+UOM;当输入电压 uI0V 时,UO=-UOM。因此,电压传输 特性如图 9(b)所示。 uo uI - + +UOM uo uI0 uI -UOM uI0 (a)电路 (b)电压传输特性 图 10 过零比较电路及电压传输特性 2.5.2 单稳态触发器 我们知道,因为触发器有两个稳定的状态,即 0 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 1。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,则暂稳态为 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。 第 9 页 共 14 页 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 图 11 单稳态触发电路 此电路可用在一些自动控制系统中。电阻 R1、R2 组成分压电路,为运放 A1 负输 入端提供偏置电压 U1,作为比较电压基准。静态时,电容 C1 充电完毕,运放 A1 正输 入端电压 U2 等于电源电压 V+,故 A1 输出高电平。当输入电压 Ui 变为低电平时,二 极管 D1 导通,电容 C1 通过 D1 迅速放电,使 U2 突然降至地电平,此时因为 U1U2, 故运放 A1 输出低电平。当输入电压变高时,二极管 D1 截止,电源电压 R3 给电容 C1 充电,当 C1 上充电电压大于 U1 时,既 U2U1,A1 输出又变为高电平,从而结束了一 次单稳触发。显然,提高 U1 或增大 R2、C1 的数值,都会使单稳延时时间增长,反之 则缩短。 如果将二极管 D1 去掉,则此电路具有加电延时功能。刚加电时,U1U2,运放 A1 输出低电平,随着电容 C1 不断充电,U2 不断升高,当 U2U1 时,A1 输出才变为高电 平。 2.5.3 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。 第 10 页 共 14 页 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 图 12 低通滤波器原理图 2.6 F/V 总电路图设计原理 包括以上分析的三个部分:电平比较器,单稳态触发器和低通滤波器。 图 13 F/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 N1 及 R3、R4 构成电压比较器,二极管 VD1、VD2 为输入限幅保护;N2 及 R1、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,比较器 N1 将输入信号转换相同 频率的方波 u,再经过微分电容 C1 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。 N1 送来的正脉冲使 N2 翻转、 输出变为低电平; 这时 VT1 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) 第 11 页 共 14 页 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 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(∞)+[up(0+)-up(∞)]e-t/t 式中,up(∞)=E;up(0+)=R6× E/(R+R6) 。 当 C 被充电到 up≥UH 时,N2 再翻转到达稳定状态,充电时间经历 TW,它的值为 TW=RCIn{[E-up(0+)]/[E-UH]} 转换电路的各点电压波形关系如图 11,图 12 所示,通低滤波后,电路输出电压平均 值为 u0=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 第 12 页 共 14 页 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 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。虽然是一些很基础 的东西,但仅仅是书上的理论学习,会让人对知识遗忘得比较快,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 好像都能理解的东西,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 集成运算 电容 晶体二极管 电阻 晶体二极管 晶体三极管 稳压二极管 运算放大器 2CW13 9012 4.3 uA741 2DW7 型号 uA741 个数 2 4 1 6 1 1 1 2 集成运算 uA741×2 二级管 VD1 电容 C1 集成运放 N1 电容 ×1 晶体二极管 2DW7 电阻 ×6 二级管 VD2 NJM4151 芯片 二级管 VD3 电容 C2 稳压管 VS 集成运放 N3 集成运放 N2 电容 C 电阻 R1,R2,R3, 电阻 R4,R5,R6 电阻 R7,R8,R9 晶体二极管 2CW13 二级管 VD4 ×1 第 13 页 共 14 页 课 程 设 计 报 告 书 专 用 纸 第 14 页 共 14 页

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