东华大学线性VF转换课程设计报告2014

/东华大学线性V/F转换课程设计报告信息科学与技术学院目录一、设计概述1二、设计任务及要求1〔1设计任务1〔2性能指标要求1三、设计方案选择21．方案一及框图22.方案二及框图23.方案原理优缺点比较3四、设计思路31、输入信号：电源分压电路42、阻抗变换：电压跟随器43、基准源54、积分电路55、脉冲输出电路66、开关电路77、总电路图7五、计算机仿真8六、实际组装与调试91.电路器件表92.总输出波形103.实际连接电路114.组装和调试过程12七、数据分析及改进13〔1数据处理13〔2数据分析13〔3根据数据分析所得改进方法14八、心得与体会15九、参考文献16十、附录16一、各器件引脚图17二、手绘电路图17一、设计概述线性V/F转换器是压控振荡器中完成外加电压和输出频率线性变换的部分。通过本次课程设计,应在了解线性V/F转换器设计原理及构成的基础上,利用集成运算放大器、积分电路以及脉冲电路等构成整个小系统,通过改变输入电压,实现对信号输入频率的线性变换。二、设计任务及要求〔1设计任务选取基本集成放大器LF353、555定时器、三极管、电阻、电容和稳压管等元件,设计并制作一个简易线性V/F转换器。首先在multism仿真软件上进行电路设计和原理仿真,选取合适电阻参数,通过输出波形的频率测试线性V/F转换器的运行情况。其次在硬件设计平台上搭建电路,并进行调试,通过示波器观测电路的实际输出波形。最后将电路实际输出波形与理论分析和仿真结果进行比较,分析产生误差的原因并提出改进方法。〔2性能指标要求电源电压：±12V；输入信号：直流信号0～10V可变；输出信号：频率为0～10kHz对应；精度：误差小于±30Hz；波形要求：脉冲宽度20～40μs、0～10V矩形波。三、设计方案选择1．方案一及框图〔１方案一：用压频转换器件〔AD650与单片机〔51或msp430系列结合使用。原理图如下：单片机频率测量压频转换〔AD650输入电压信号单片机频率测量压频转换〔AD650输入电压信号外围相关数字及模拟电路外围相关数字及模拟电路原理简述如下：输入信号输入压频转换器件,得到一定频率信号,采用单片机的计数器/定时器来测量频率,并对结果通过外围电路进行调控进而得到非常理想的电压--频率的线性转换关系。2.方案二及框图〔２方案二,利用反向积分器,以及555单稳态触发器,三极管模拟控制开关搭建电路。原理图如下：原理简述如下:直流电压信号经过阻抗变换后送到积分器输入端,得到三角波,以控制脉冲输出,脉冲的高低电平来控制反馈中的模拟开关闭合与断开。通过设置参数使积分器输出过零时触发脉冲输出电路开始输出Tw宽度脉冲,周而复始形成振荡,得到输出频率与输入信号呈线性关系。3.方案原理优缺点比较方案一,在10KHZ频率范围内,AD650的线性误差度仅为20ppm<满量程的0.002%>,精度符合要求,但是相关器件太贵,且没有相关器材,所以不选择此方案。方案二,555单稳态,以及模拟开关〔三极管,353积分电路搭建的电路,实现的压频转换在10Khz范围内,能实现相当高的转换精度,大约在几HZ左右〔干扰过大除外,且器件均为常见的简易器件,电路搭建方便,易于操作和理解。在满足设计任务的条件下,经济实惠,具有较高的性价比,故选择此方案二。四、设计思路本实验线性V/F转换电路的设计,主要由积分电路,脉冲输出电路,反馈控制电路组成。总电路的设计：通过阻抗变换得到相应输入电压,并输入积电路得到脉冲输出电路的电压控制信号〔锯齿波,经由脉冲来控制反馈中的三极管的导通和关闭,实现通过基准源来调控积分时间的长短,来进一步调控脉冲输出〔矩形波的电压控制信号〔锯齿波如此周而复始,形成震荡,实现电压到频率的线性转换。1、输入信号：电源分压电路电源电压为12v,电压输出范围为0～10v,所以选择一个R0=2kΏ的电阻与一个10kΏ的滑动变阻器串联,电压可调最大值为10v,可以满足0～10v所有值,符合要求。2、阻抗变换：电压跟随器共集电路的输入高阻抗,输出低阻抗的特性,使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用,能够使得后一级的放大电路更好的工作。电压隔离器输出电压近似输入电压幅度,并对前级电路呈高阻状态,对后级电路呈低阻状态,因而对前后级电路起到"隔离"作用。基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点,即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路,输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用,即使前、后级电路之间互不影响。为保证输入电压0～10v不变,则必须保证其滑变的传入电路阻抗不变,加入一个电压跟随器,可以使后续电路不影响滑变的阻抗,使输入电阻保持不变,反馈电路中接一电阻,以平衡输入端,提高跟随精度。3、基准源使用一个3v的稳压管,接入电路即可,能提供一个-3v的稳定电压。选择R10为1kΏ电阻保护稳压管。4、积分电路利用集成运放可以构成精度高、线性好的压控振荡器。积分电路输出电压变化的速率与输入电压的大小成正比,如果积分电容充电使输出电压达到一定程度后,使它迅速放电,然后输入电压再给它充电,如此周而复始,产生振荡,其振荡频率与输入电压成正比,即压控振荡器。积分电路采用运放构成的反相积分电路,运放的同相端接入10kΏ的失调电阻,反向端同样串入一个5.1kΏ的电阻,然后再与10kΏ滑变串接,保证其对称性,减少失调电流引起的误差。滑动变阻器可以调节输出锯齿波的周期,二极管起到保护运放的作用。5、脉冲输出电路单稳态触发器只有一个稳定状态,一个暂稳态。在外加脉冲的作用下,单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。由于电路中RC延时环节的作用,该暂态维持一段时间又回到原来的稳态,暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。脉宽Tw=1.1RC,R7=3kΏ,C2=0.01uf由计算得Tw=33us,此电路构成单稳态触发器,当积分电压过零时触发单稳〔VC≤1/3VCC。输出宽度一定的脉冲去控制积分器。所以当U0=0V时,单稳态触发电压：Vc=1/3VCC=4v,则Vc=R2/<R2+R3>=1/3VCC从而推导出R2与R3的关系：R2：R3=1：2,取R2为1kΏ,则R3为2kΏ。6、开关电路晶体三极管的实际开关特性决定于管子的工作状态。晶体三极管输出特性三个工作区,即截止区、放大区、饱和区。如果要使晶体三极管工作于开关的接通状态,就应该使之工作于饱和区；要使晶体三极管工作于开关的断开状态,就应该使之工作于截止区,发射极电流iE=0,这时晶体三极管处于截止状态,相当于开关断开。积分电路先对基准源进行定时线性积分到一定电压高度Uh,触发脉冲输出F控制积分电路自动切换到对输入信号反向积分,到积分电压过零时积分控制电路又转为对基准源积分。周而复始形成震荡,产生脉冲输出。电路采用二次积分方法进行转换,当恒定宽度正脉冲输出时,信号反馈到输入端控制开关闭合。此时积分器对-Ur进行正向积分,而积分电压Uc的高度Uh与基准电压以及充放电常数有关。一旦输出脉冲消失,开关S截止,积分器对Ui反向积分直到过零。相关参数的计算：由设计任务分析得到,R8与R9是偏置电阻,其必须满足当脉冲输出电路为低电平〔即为"0"时,三极管不导通,即是b和e电位差小于管压降0.7,Ve=-3v,则Vb的取值为小于-2.3v,所以此时:Vb=-R8/<R8+R9>*Vcc。设R8=R9=1kΏ,则此时,Vb=-R8/<R8+R9>*Vcc=-6v<-2.3v,满足条件,脉冲输出电路输出电压为高电平〔即为"1"时,此时满足Vb>-2.3v,Vb=R8/<R8+R9>*<Vi+Vcc>=-1V>-2.3V,满足条件,三极管导通,进而可以通过一定输出宽度的脉冲可以控制积分器的积分动作。对于R10的选取：为了防止流入稳压管的电流过大,接入一个限流电阻,取R10=1kΏ。7、总电路图五、计算机仿真multism仿真图像：仿真调试相关事项：滑动变阻器Rw2主要调节整个电路的周期,对脉冲宽度影响很小,使其周期满足条件要求,电阻R3主要来调节脉冲宽度,使脉冲调到要求范围内。为了满足脉冲的宽度在20us～40us,因为Tw=1.1RC,R3为单稳触发器的6、7脚所接电阻,取电容C=0.01uf时,电阻R7=3kΏ时即可满足。为了要满足产生脉冲的频率和输入电压误差在所要求的范围内〔30Hz,通过调节滑动变阻器Rw2可逐步实现误差达到理想的范围内,观察仿真波形和周期选择满足条件的阻值。考虑到流过稳压管的电流范围,三极管基集电阻设定为R10=1K欧左右时可以满足。为了保护运放,在反向积分电路中加入了二极管。使积分输出端为0时,反向截至。〔6如果三角波的幅值没达到要求,可以通过调节三极管集电极的电阻来控制产生的锯齿波的幅值。六、实际组装与调试1.电路器件表元器件名称个数电阻,电容若干直流稳压电源1个万用表1个双踪示波器1个集成运放LF3531个555定时器1个三极管90131个稳压二极管〔3v1个导线若干10k滑动变阻器2个2.总输出波形〔1Ui=5V〔2Ui=10v脉宽、频率与理想状态基本保持一致,符合要求。3.实际连接电路4.组装和调试过程〔1器件参数的选择经过各个模块参数的详细计算,基本可以确定电阻和电容等器件参数的选取。电路图中C取0.01uf、Rw1、Rw2为10千欧滑动变阻器、R0为2千欧、R6为5.1千欧,R1为1千欧,R2为2千欧,R3为3千欧,R7、R8、R9、R10都为1千欧。〔2电路连接电路连接过程需要特别细心,我曾因为电路连接错误而花了一下午的时间找出错误,最后采取分块检查错误的方法改正了电路,即刻出现稳定的脉冲波。检查积分器时,用函数发生器输入方波,能出三角波,则积分器工作,反之,则不工作。检查555时,输入一定幅值的矩形波,如果555能输出矩形波,则正常工作,反之则不工作。〔3调节误差使用设定好参数的电阻,但出的波形频率却和仿真结果有很大差距,因此需要自己调节Rw2找出合适阻值,不能完全依照仿真结果。调节滑动变阻器使当输入信号为10v时,输出信号频率非常接近10kHz,然后改变输入电压,观察输出频率是否满足误差范围,不满足则反复调节Rw2,直到满足30Hz误差以内。七、数据分析及改进〔1数据处理周期t电压V第一次测量的数据/kHz第二次测量的数据/kHz平均值/kHz理想频率值/kHz误差值/Hz10V10.00510.00210.003510．03.59V9.0089.0039.00559.05.58V8.0048.0028.0038.037V7.0037.0047.00357.03.56V6.0025.9986.0006.005V4.9994.9924.9955.054V3.9943.9933.9944.063V2.9972.9962.9973.032V2.0021.9982.0002.001V1.0000.99750.99871.02.3注：电压均为跟随器的输入电压。〔2数据分析作电压和频率图像,可以求出频率和电压的线性关系。如图可以看出,基本为线性关系。由上述实验数据分析可以看出：本次课程设计设计的电路基本上将误差控制在了几HZ的误差以内,在误差允许范围内基本符合了要求,这些误差很有可能是来自电源不稳定,测量读数不准,测量仪器显示精度,导线电阻不可忽略,接触不良等方面造成的误差,虽然会有部分因器件,导线之间相互作用产生的感抗,容抗,引起的误差,由以上数据看出但其对精度影响并不大,所以总体来说设计电路基本符合实验要求。〔3根据数据分析所得改进方法从实验数据中反应出设计电路的精度基本符合要求,线性基本满足条件如果想继续改进,则有如下所述改进方法：在不同输入电压的情况下,加强调节失调电阻,使得线性误差进一步减小；对整个电路的相关参数进行微调,获得满意的效果；在电源的正负极,555单稳态8号脚和地之间接一个大电容〔本实验为470uf,排除杂音信号。在积分电路反相端加二极管可保护运放。八、心得与体会在实验过程中,我学会了熟练操作multism、EWB仿真软件,并培养了我的动手能力。本实验原理和电路不复杂,可过程并不太顺利,比如在仿真时,遇到了没有波形、波形失真等问题,在同学的帮助下,我发现是仿真电路连接有问题,改正错误后便立刻输出正确的波形,而参数的稍稍改动,就能解