您当前的位置 >首页 > 本地视频

频率—电压转换器电路的设计pdf

更新时间:2019-08-04 16:49:17 点击数:76

  1.本站不保证该用户上传的文档完整性,不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。

     目 目 录录 目目 录录 1. 绪论 1 2 .电路设计方案 2 2.1 频率- 电压转换器电路的设计要求 2 2.2 频率- 电压转换器电路的组成框图 2 2.3 频率- 电压转换器电路的原理 2 3. 单元电路的设计 3 3.1 比较器电路的设计 3 3.2 F/V 变换器电路的设计 4 3.3 反相器电路的设计 6 3.4 反相加法运算电路的设计 8 4.总电路原理图 11 5 元器件介绍 12 5.1 元器件清单 12 5.2 元器件介绍 12 6. 频率- 电压转换器电路的组装与调试 18 6.1 组装 18 6.2 调试 19 7.参考文献 21    频率频率— 电压转换器电路的设计电压转换器电路的设计 频率频率 电压转换器电路的设计电压转换器电路的设计 1. 绪论绪论 绪论绪论 1  !#$%&() 2.2.电路设计方案电路设计方案 22..电路设计方案电路设计方案 2.1 频率2.1 频率--电压转换器电路的设计要求电压转换器电路的设计要求 2.1 2.1 频率频率--电压转换器电路的设计要求电压转换器电路的设计要求 2.2 频率频率- 电压转换器电路的组成框图电压转换器电路的组成框图 频率频率 电压转换器电路的组成框图电压转换器电路的组成框图 本课程设计,频率— 电压转换器电路的组成框图如图所示: *+ ,-./0123/4567* 基本流程如下: 2.3 频率频率- 电压转换器电路的原理电压转换器电路的原理 频率频率 电压转换器电路的原理电压转换器电路的原理 频率- 电压转换器电路是由比较器,F/V变换器,反相器和反相加法器组成, 在各集成电路接通电源正常工作的情况下,输入被测正弦信号,通过比较器电路 将正弦信号转换为方波信号后输出,然后再由F/V转换器电路将方波转换为所需 要的直流电压信号后输出,反相器电路将输入进来的直流信号转换为原来的反相 电压信号输出,输出信号和参考电压VR一起组成加法运算的两个输入电压信号, 通过加法运算电路的功能和调节参考电压的大小输出满足条件的直流电压信号。 2 89:;=?@ABCDEFGHIJKL 3. 单元电路的设计单元电路的设计 单元电路的设计单元电路的设计 3.1 比较器电路的设计比较器电路的设计 比较器电路的设计比较器电路的设计 3.1.1 比较器基本电路比较器基本电路 比较器基本电路比较器基本电路 + V CC vI + A vO -- -- V - V REF EE 图2 比较器基本电路 3.1.2 比较器电路的原理比较器电路的原理 比较器电路的原理比较器电路的原理 比较器是一种用来比较输入信号Vi 和参考电压 VREF 的电路。基本电路如 图所示。参考电压 VREF 加于远算放大器的反相输入端,它可以是正值,也可以 是负值。而输入信号 Vi 则加在远算放大器的同相输入端。这时,运放处于开环 工作状态,具有很高的开环电压增益。当输入信号 Vi 小于参考电压 VREF 时,即 差模输入电压 VID=Vi-VRE 0 时,运放将处于负饱和状态,V =V ;当输入信号 MN O OP Vi 升高大于 VREF 时,即 VID=Vi-VRE 0 时,运放处于正饱和状态,V =V 。当 MQ O OR Vi 在参考电压 VREF 附近有微小的减小时,输出电压将从正的饱和值 V 过渡到 OR 负的饱和值 V ;若有微小的增加,输出电压又将从负的饱和值 V 过渡到正的 OP OP 饱和值 V 把比较器输出电压 V 一个电平跳变到另一个电平时相应的输入电压 ORS O Vi 值称为门限电压 Vth 。如果参考电压 VREF=0 ,则输入电压每次过零时,输出 就要产生突然的变化,这种比较器称为过零比较器。 3 TUVWXYZ[\]^_`abcdefgh 3.1.3 比较器的选用比较器的选用 比较器的选用比较器的选用 根据以上原则和本次课设的要求及所发的器件可以确定元件参数如下: 由于本次比较器的作用只是将输入的正弦信号转换为方波信号,所以可以 选用最简单的过零比较器实现这一目标,电路图所示: + V CC vI + A vO -- -- - V EE 图 3 过零比较器 3.2 F/V F/V 变换器电路的设计 变换器电路的设计 F/VF/V 变换器电路的设计变换器电路的设计 3.2.1 F/VF/V 变换器的内部结构图 变换器的内部结构图 F/VF/V 变换器的内部结构图变换器的内部结构图 图 4 LM331 的内部结构图 4 ijklmnopqrstuvwxyz{} 3.2.2 F/VF/V 变换器的原理 变换器的原理 F/VF/V 变换器的原理变换器的原理 由 LM331 构成的频率-电压转换电路如图 5 所示,输入脉冲 f 经 R1 、C1 i 组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻 R2 、R3 分压而加有约 2Vcc/3 的直流电压,反相输入端经电阻R1 加有 Vcc 的直 流电压。当输入脉冲的下降沿到来时, 经微分电路 R1 、C1 产生一负尖脉冲叠 加到反相输入端的 Vcc 上,当负向尖脉冲大于 Vcc/3 时,输入比较器输出高电平 使触发器置位,此时电流开关打向右边,电流源 IR 对电容 CL 充电,同时因复零 晶体管截止而使电源 Vcc 通过电阻 R 对电容 C 充电。当电容 C 两端电压达到 t t L 2Vcc/3 时,定时比较器输出高电平使触发器复位,此时电流开关打向左边,电 容 C 通过电阻 R 放电,同时,复零晶体管导通,定时电容 C 迅速放电,完 L L t 一次充放电过程。此后,每当输入脉冲的下降沿到来时,电路重复上述的工作过 程。从前面的分析可知,电容 C 的充电时间由定时电路R 、C 决定,充电电流 L t t 的大小由电流源IR 决定,输入脉冲的频率越高,电容 CL 上积累的电荷就越多输 出电压( 电容 CL 两端的电压 就越高,实现了频率-电压的变换。按照前面推导 V/F 表达式的方法,可得到输出电压 V 与 f 的关系为: O i V =2.09R R C f /R O l t t i s 电容 C1 的选择不宜太小,要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输 入比较器,但电容 C1 小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻 RL 和电容 CL 组 低通滤波器。电容 CL 大些,输出电压 VO 的纹波会小些,电容 CL 小些, 当输入脉冲频率变化时,输出响应会快些。 3.2.3 F/VF/V 变换器的外接电路图 变换器的外接电路图 F/VF/V 变换器的外接电路图变换器的外接电路图 5 ~€‚ƒ„…†‡ˆ‰Š‹ŒŽ‘’ 图 5 LM331F/V电路图 3.2.4 F/VF/V 变换器的外接电路元件参数的确定 变换器的外接电路元件参数的确定 F/VF/V 变换器的外接电路元件参数的确定变换器的外接电路元件参数的确定 3.3 反相器电路的设计3.3 反相器电路的设计 3.3 3.3 反相器电路的设计反相器电路的设计 3.3.1 3.3.1 反相器的基本电路反相器的基本电路 3.3.1 3.3.1 反相器的基本电路反相器的基本电路 6 “”•–—˜™š›œžŸ ¡¢£¤¥¦§ Rf R1 vN vI -- -- A vO vP + R 2 图 6 反相比例运算电路 对反相比例运算电路的基本分析: 利用虚短和虚断得: 3.3.2 3.3.2 反相器的原理反相器的原理 3.3.2 3.3.2 反相器的原理反相器的原理 反相器是运用集成运算放大器 LM741 接外接电路组成的具有反相比例放大 输入信号的功能的电路。反相比例运算电路的基本电路图如图所示。同相端接电 阻R再接地,输入信号Vi 通过电阻R1 后从反相端输入,经过运算放大器放大后 从输出端输出Vo,此时Vo=-(Rf/R1)Vi。 在基本电路中设组件 LM741 为理想器件,则 Vo=-(Rf/R1)Vi,其输入电阻 Rif R1,R=R1‖Rf 。由上式可知,选择不同的电阻比值,就改变了运算放大器 的闭环增益 A¨©. 7 ª«¬­®¯°±²³´µ¶·¸¹º»¼½¾ 3.3. 3.3. 反相器元件参数的确定 3反相器元件参数的确定 3.3.3.3. 反相器元件参数的确定反相器元件参数的确定 在选择电路参数时应考虑: 3.4 反相加法运算电路的设计3.4 反相加法运算电路的设计 3.4 3.4 反相加法运算电路的设计反相加法运算电路的设计 3.4.1 反相加法运算器的基本电路3.4.1 反相加法运算器的基本电路 3.4.1 3.4.1 反相加法运算器的基本电路反相加法运算器的基本电路 8 ¿ÀÁÂÃÄÅÆÇÈÉÊËÌÍÎÏÐÑÒÓ R R 2 f v S2 i I v – S1 v O N R 1 + P 图 7 反相加法运算电路 对反相加法运算电路的基本分析: 3.4.2 反相加法运算器的原理3.4.2 反相加法运算器的原理 3.4.2 3.4.2 反相加法运算器的原理反相加法运算器的原理 反相加法运算电路是运用集成运算放大器 LM741 接外接电路组成的具有将 输入的信号不同比例放大后叠加反相输出功能的运算电路。反相加法运算电路的 基本电路如图所示。同相端接地,输入信号从反相端输入,当运算放大器的开环 增益足够大时,其输入端为虚地,Vs1 和Vs2 均可通过R1 和R2 转换为电流,实 现代数的相加运算,其输出电压 Vo= -(Rf/R1 Vs1+ Rf/R2 Vs2) 当R1=R2=R时 Vo= - Rf/R (Vs1+ Vs2) 这就是加法运算的表达式,式中的负号是因反相输入所引起的。 9 ÔÕÖ×ØÙÚÛÜÝÞßàáâãäåæçè 3.4.3.4. 反相加法运算器元件参数的确定 反相加法运算器元件参数的确定 3.4.3.4. 反相加法运算器元件参数的确定反相加法运算器元件参数的确定 为了保证运算精度,除尽量选用高精度的集成运算放大器外,还应精心挑 选精度高、稳定性好的电阻。具体根据 R1,R2 与 Rf 的关系确定 R1,R2 与 Rf 的值,一般取 Rf 为几十千欧到几百千欧 。 根据以上原则和本次课设的要求及所发的器件可以确定元件参数如下: 10 éêëìíîïðñòóôõö÷øùúûüý 4.总电路原理图4.总电路原理图 4.4.总电路原理图总电路原理图 11 þÿ  图 8 电路原理图 55 元器件介绍元器件介绍 55 元器件介绍元器件介绍 5.1 元器件清单5.1 元器件清单 5.1 5.1 元器件清单元器件清单 表 1 元件清单 序号 编号 名称 规格 数量 1 C1 电容 470 F 1  2 C2 电容 0.01µF 1 3 C3 电容 10µF 1 4 LF353P 集成运放 LF353P 2 5 KA331 频率- 电压转换器 KA331 1 6 R1 电阻 10 k , 4 7 R2 电阻 100 k , 3 8 R3 电阻 12 k , 1 9 R4 电阻 51 k , 3 10 R5 电阻 6.8 k , 2 11 R6 电阻 5 k , 1 12 R7 电阻 2 k , 1 13 R8 电阻 1 k , 1 14 R9 电阻 30 k , 1 15 R10 电阻 20 k , 1 16 R11 电位器 2 k , 1 17 R12 电位器 10 k , 1 5.2 元器件介绍元器件介绍 元器件介绍元器件介绍 5.2.1 运算放大器运算放大器 运算放大器运算放大器 12  !#$%&( 图 9 LF353P 的管脚 图 表 2 LF353P 引脚功能及参数 脚号 引脚代号 功能 参数 1 AmOUT1 运算输出 1 1.32 2 IN1- 反相输入 1 0.98 3 IN1+ 同相输入 1 0.98 4 VEE 电源 -5.75 5 IN2+ 同相输入2 0 6 IN2- 反相输入 2 0 7 AmOUT2 运算输出 2 0 8 VCC 电源 12.00 图 10 集成放大器 LM741 的内部结构图 13 )*+-./0123456789:;= 集成运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦 合放大电路。它一般 由输入级,电压放大级,偏置电路,输出级组成。输入级一 般是由 BJT 、JEFT 或 MOSFET 组成的差分式放大电路,利用它的对称特性可以 提高整个电路的共模抑制 比和其他方面的性能,它的两个输入端构成了整个电路 的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益,它可以是 一级或多级 电路组成。输出级一般是由电压跟随器或互补 电压跟随器组成,以降 低输出电阻,提高负载能力。偏置电路是为各级提供合适的工作电流。此外,还 有一些辅助环节,如电平的移动 电路、过流保护 电路以及高频补偿环节等 。 5.2.2 频率频率- 电压转换器电压转换器 频频率率 电压转换器电压转换器 图 11 LM331 的管脚 图 表 3 LM331 引脚功能 脚号 引脚代号 功能 1 CURRENT OUTPUT 电流输出 2 REFERENCE CURRENT 参考电流 3 FERQUENCY OUTPUT 频率输出 4 GND 接地 5 R/C 接 R/C 6 THRESHOLD 门槛 电压 7 COMPARATOR INPUT 输入 8 VS 电源 14 ?@ABCDEFGHIJKLMNOPQRS LM331 的内部电路组成如图 4 所示。由输入比较器、定时比较器、R -S 触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准 电路、精密 电流源电路、电流开关、 输出保护管等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式,因而可以通过选择逻 辑 电流和外接电阻,灵活改变输出脉冲的逻辑 电平,以适配 TTL、DTL 和 CMOS 等不同的逻辑 电路。LM331 可采用双 电源或单电源供 电,可工作在4.0~40V 之 间,输出可高达40V ,而且可以防止 Vcc 短路。 运用 LM331 可以组成频率-- 电压转换和电压—频率转换。 首先,介绍频率-- 电压转换器 由LM331 构成的频率-电压转换电路如图 5 所示,输入脉冲 f 经 R1 、C1 i 组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻 R2 、R3 分压而加有约 2Vcc/3 的直流电压,反相输入端经电阻R1 加有 Vcc 的直 流电压。当输入脉冲的下降沿到来时, 经微分电路 R1 、C1 产生一负尖脉冲叠 加到反相输入端的 Vcc 上,当负向尖脉冲大于 Vcc/3 时,输入比较器输出高电平 使触发器置位,此时电流开关打向右边,电流源 IR 对电容 CL 充电,同时因复零 晶体管截止而使电源 Vcc 通过电阻 R 对电容 C 充电。当电容 C 两端电压达到 t t L 2Vcc/3 时,定时比较器输出高电平使触发器复位,此时电流开关打向左边,电 容 C 通过电阻 R 放电,同时,复零晶体管导通,定时电容 C 迅速放电,完 L L t 一次充放电过程。此后,每当输入脉冲的下降沿到来时,电路重复上述的工作过 程。从前面的分析可知,电容 C 的充电时间由定时电路R 、C 决定,充电电流 L t t 的大小由电流源IR 决定,输入脉冲的频率越高,电容 CL 上积累的电荷就越多输 出电压( 电容 CL 两端的电压 就越高,实现了频率-电压的变换。按照前面推导 V/F 表达式的方法,可得到输出电压 V 与 f 的关系为: O i V =2.09R R C f /R O l t t i s 电容 C1 的选择不宜太小,要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输 入比较器,但电容 C1 小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻 RL 和电容 CL 组 低通滤波器。电容 CL 大些,输出电压 VO 的纹波会小些,电容 CL 小些, 当输入脉冲频率变化时,输出响应会快些。 第二,电压频率转换器 图 12 是由 LM331 组 C 和定时比较器、复零晶体管、R -S 触发器等构 t 15 TUVWXYZFGHIJKLMNOPQRS 成单稳定时电路。当输入端 Vi +输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使 R -S 触发器置位,Q 输出高电平,输出驱动管导通,输出端 f0 为逻辑低 电平,同 时,电流开关打向右边,电流源 IR 对电容 CL 充电。此时由于复零晶体管截止, 电源Vcc 也通过电阻 R 对电容 C 充电。当电容 C 两端充电电压大于 Vcc 的 2/3 t t t 时,定时比较器输出一高电平,使R -S 触发器复位,Q 输出低 电平,输出驱动 管截止,输出端 f 为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容 C 通过复零晶 0 t 体管迅速放电;电流开关打向左边,电容 C 对电阻 R 放电。当电容 C 放电电 l L L 压等于输入电压 Vi 时,输入比较器再次输出高电平,使 R -S 触发器置位,如 此反复循环,构 自激振荡。设电容 C 的充电时间为 t ,放电时间为 t ,则根 L 1 2 据电容 CL 上电荷平衡 的原理,我们有: 16 TUVWXYZFGHIJKLMNOPQRS 图 12 LM331V/F电路图 17 TUVWXYZFGHIJKLMNOPQRS 6. 频率频率-电压转换器电路的组装与调试-电压转换器电路的组装与调试 频率频率--电压转换器电路的组装与调试电压转换器电路的组装与调试 6.1 组装组装 组装组装 6.1.1 电路原理图的验证电路原理图的验证 电路原理图的验证电路原理图的验证 电路的组装是本次课程设计的一个重要组成环节,它是对我们动手的一次 考验 。开始组装前我通过查阅资料和运用所学的理论知识设计 出本次频率— 电压 转换器电路的总的电路原理图,并通过电路仿真软件 EWB 对所设计的原理图进 行部分仿真实验 ,通过仿真实验证明我所设计 的电路原理 图符合本次设计 的要 求。 6.1.2 电路的组装电路的组装 电路的组装电路的组装 电路原理图验证合格后就开始了电路的组装过程,由于电路的连接相当复 杂,怎样很好的减少连接导线交叉问题的关键就是元件的合理布局,因此,开始 焊接元件之前先对元件进行合理的布局,然后再动手焊接。 电路焊接按照一级一级的往下组装,首先是连接比较器电路,比较器电路 是由一个集成运算放大器组成的过零比较器,它的作用是将输入的正弦电压信号 转换为方波信号。焊接时从芯片的 1 号引脚作为输出端, 2 号引脚接地,3 号引 脚作为输入端,4 号引脚接-12V 电源,8 号引脚接+12V 电源。 其次是频率— 电压转换电路,它是由集 芯片频率— 电压转换器 LM331 和其外接电路组成,LM331 的 1 号引脚作为输出端,6 号引脚作为输入端,2 号 引脚接控制调节回路,7 号引脚接 Rx 和通过 10 k [电阻和 8 号引脚相连,5 号 引脚接过滤选频电路,8 号引脚接+12V 电源,3,4 号引脚接地 。 然后是反相器电路,它是由运放和外接电路组成,在本次设计中只起反相 的作用,2 号引脚作为反相输入端,1 号引脚作为输出端,1 号和 2 号引脚间通 过一个 100 k [的电阻连接,3 号引脚通过一个 47 k [的电阻接地 。 最后是反相加法运算电路,它是由运放和外接电路组成,6 号引脚作为反 相输入端,7 号引脚作为输出端,6 号和 7 号引脚之间通过一个 40 k [的电阻连 18 \]^_`abcdefghijklmnop 接,5 号脚接地 。 由于反相器电路和反相加法电路所用的两个集成运算放大器包含在一个 芯片 353 中,电源的引脚是共用的,所以最后将 4 号引脚接-12V 电源,8 号引脚 接+12V 电源。 主要电路组装完成后,再来组装外围的参考电压控制 电路,它是有一个电 位器,20k [和-12V 电源组成。至此,电路组装完成。 6.1.3 6.1.3 组装过程中遇到的困难组装过程中遇到的困难 6.1.3 6.1.3 组装过程中遇到的困难组装过程中遇到的困难 6.2 调试调试 调试调试 电路组装完成后紧接着就是电路的调试 。在开始调试之前,首先要做的是检 查焊接时有没有短路的地方,以防接通电源后烧毁芯片 。 检查 电路无误后接通电源,用示波器输入 200HZ—2000HZ 的正弦信号,用 直流电压表测量输出端的电压。调节输入信号的频率在 200HZ—2000HZ 之间变 化,看输出电压是否在 1V—5V 之间线性变化。用示波器观察 比较器的输出信号, 若输出信号是方波,则说明 比较器电路正常工作;若输出信号不是方波,则说明 比较器电路没有正常工作。用直流电压表测量频率— 电压转换器输出端的电压, 当频率在 200HZ—2000HZ 之间变时,电压值是否在 0.2V—2V 之间变化,若是, 则说明 电路正常工作;反之,则电路没有正常工作。测量反相器输出端的电压值, 当频率在 200HZ—2000HZ 之间变时,电压值是否在-0.2V— -2V 之间变化,若是, 则说明 电路正常工作;反之,则电路没有正常工作。测量反相加法运算电路输出 端的电压值,当频率在 200HZ—2000HZ 之间变时,电压值是否在 1V— 5V 之间 19 qrstuvwxyz{}~€‚ƒ„… 变化,若是则说明 电路正常工作;反之,则电路没有正常工作。至此电路的调试 完成。 6.3 心得心得 心得心得 20 †‡ˆ‰Š‹ŒŽ‘’“”•–—˜™š 7.参考文献参考文献 参考文献参考文献 21

上一篇:电压、频率变换器

下一篇:红蜘蛛第四部在线集全) - 全视频TV