电压频率转换课程设计.doc

目录目录第一章第一章 设计指标设计指标………………………………………… 1设计指标…………………………………………………….. 1第二章第二章 设计方案及方案确定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第三章第三章 电路的组构与调试电路的组构与调试………………………………. 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第四章第四章 结束语结束语…………………………………………… 17 心得与体会…………………………………………………… 17参考文献参考文献……………………………………………………… 19器件表器件表………………………………………………………… 19附图附图(电路总图电路总图)………………………………………………. 20小信号(100mv)电压/频率变换- 1 -第一章第一章 设计指标设计指标【【设计指标设计指标】】 1.设计内容：设计内容： 小信号（100mv）v/f 变换2.设计要求：设计要求： 1） 输入 0～100mv 小信号电压线性变换成0～10KHz 频率输出；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=20～40μs。

第二章第二章 设计方案及方案确定设计方案及方案确定2.1 设计思想设计思想输入为 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 0～10v 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各功能的组成及原理分析1. 0～～100mv 电压输出电压输出小信号(100mv)电压/频率变换- 2 -电源电压输出为 12V，要产生 0～100mv 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（滑动变阻器两端的电压）当滑动变阻器的阻值为 0Ω 时，滑动变阻器两端的电压为 0V,当滑动变阻器的阻值为 1KΩ 时，滑动变阻器两端的电压为 100mv电阻选择：电阻选择：110KΩ 电阻一个，9.1KΩ 电阻一个，1KΩ 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VCC12VR1 110kR2 9.1kR31K_LIN Key = A 50%VCC120图 1 分压电路产生 0～100mv 电压2.电压放大电压放大1）仪表放大器的特点）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Ri﹥﹥Rs，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 2）基本电路）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 0～10V，既放大倍数为 100.根据式 2-1，Uo=-Rf（1+2R1/Rs）/R3*Uid取 Rf=50KΩ,R3=1 KΩ,R1=10 KΩ,RS=20 KΩ,因 Rs 是一滑动变阻器，故取其阻值为 100 KΩ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.积分电路积分电路积分电路的输入电压 u1和输出电压 u2的波形由于 τ>>tp，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=t1）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时间常数 τ 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，u2是对 u1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 -R14.3kR2200K_LIN Key = A 50%1U1OPAMP_5T_VIRTUALR3 4.3k30C110nFD11BH62256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 0.01μf 的电容在电容两端并联二极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：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dtuRCuIO1RC1T=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构成的施密特触发器1））555 定时器的电路结构和控制特性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 1/3VCCA1 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 0.01μF 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：① 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② 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））555555 定时器构成的施密特触发器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 图七图七 555555 构成的施密特触发器构成的施密特触发器1)工作原理工作原理由 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 VT-=1/3Ucc根据根据 555 定时器功能表一可知：定时器功能表一可知：（1）当 ui处于 0＜ui＜1/3Ucc 上升区间时，OUT = “1” 。

2）当 ui处于 1/3Ucc＜ui＜2/3Ucc 上升区间时， OUT 仍保持原状态“1”不变3）当 ui处于 ui≥2/3Ucc 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 1/3Ucc＜ui＜2/3Ucc 下降区间时， OUT 保持原来状态 “0”不变 （5）当 ui处于 Ui≤1/3Ucc 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 ΔUT表示，即 ΔUT = UR1 ——UR2=1/3Ucc2）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，Rc应该较小，故取 200Ω发射级电阻 Re 的大小可以调节输出脉冲的宽度，Re 愈小，输出的脉冲宽度也愈小，但需考虑三极管本身的因素，故取 Re=1KΩ模拟开关电路如图九所示：小信号(100mv)电压/频率变换- 13 -VCC-12VD102BZ2.2 0Re 1.0k1Rc 20023R120kR2 20k4VCC5图九 模拟开关电路7.调零电路调零电路由于运算放大器制造工艺等原因，当运算放大器输入端短路，为零输。