目录摘要.1第一章 设计指标.21.1 设计概述 21.2 设计任务 21.3 性能指标要求 2第二章 系统概述.32.1 设计思想 32.2 可行性分析 32.2 各模块的组成 41. 输入信号42. 交流放大电路 43.转换电路54. 单稳电路65.滤波电路86. 直流信号放大电路 8第三章 单元电路设计与分析103.1 输入信号 .103.2 交流放大电路 .103.3 负极性信号滤除电路 .113.4 转换电路 .123.5 微分电路 123.6 单稳电路 .133.7 滤波电路 .133.8 直流信号放大电路 .14第四章 电路的组构与调试 .154.1 调试方法及注意事项 .154.2 遇到的主要问题 .154.3 现象分析与解决措施 .154.4 测试数据与误差分析 .164.5 电路仪器仪表说明 .171.电路说明及改进意见 172.主要仪器仪表说明 173.元器件说明17第五章 总结.18附录.19参考文献.20摘要摘要本设计利用 EWB 软件平台环境进行电路设计和原理仿真，选取合适的电 路参数，通过输出波形的直流电压值测试线性 F/V 转换器的运行情况。并且在 硬件设计平台上搭建电路，进行电路调试，通过数字万用表观测电路的实际输 出电压值。主要模块分为交流信号放大电路、转换电路、单稳电路、滤波电路、 直流信号放大电路等，设计最终实现了基本指标要求。第一章第一章 设计指标设计指标1.1 设计概述设计概述线性 F/V 转换在很多场合均有应用，如涡轮流量计、脉冲转速表、调频遥 测技术中恢复原始信号等。它把输入的频率信号直接变换成直流电压输出信号， 并且此直流电压输出与输入信号的频率成正比。通过本次课程设计，在了解线性 F/V 转换器设计原理及其构成的基础上， 利用集成运算放大器、单稳电路、滤波电路以及信号放大电路等构成整个小系 统，设计完成一个线性 F/V 转换器，通过改变输入信号的频率，实现对直流输 出电压的线性变换。1.2 设计任务设计任务选取基本集成放大器 LF353、555 定时器、二极管和电阻、电容等元器件， 设计并制作一个简易的线性 V/F 转换器。首先在 EWB 软件平台环境下进行电 路设计和原理仿真，选取合适的电路参数，通过输出波形的直流电压值测试线 性 F/V 转换器的运行情况。其次，在硬件设计平台上搭建电路，进行电路调试， 通过数字万用表观测电路的实际输出电压值。最后，将该实际电压值与理论分 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。1.3 性能指标要求性能指标要求1. 输入频率为 010kHz、幅度为 20mV（峰峰值）的交流信号。2. 线性输出 010V 的直流信号。3. 转换绝对误差小于 20mV（平均值）。4. 1kHz 时的纹波 Uopp小于 50mV。第二章第二章 系统概述系统概述2.1 设计思想设计思想输入端为幅值较小正弦信号，所以先用三个运放组成的放大电路，然后将 放大后的信号与二极管并联，滤去正弦信号中小于 0V 的电压，然后用 555 芯 片构成的施密特触发器将正弦波转换成矩形波，经过单稳电路，将矩形波信号 转换成高度和宽度一定的脉冲信号，再通过滤波电路得到直流电压，但是因为 信号幅度较小，所以最后采用运放构成的同项比例放大电路实现对信号的放大， 得到输出信号。因此本设计主要分为以下六部分，即：1. 仪表放大器实现小信号的高保真放大，抑制共模噪声干扰。2. 555 定时器构成的施密特电路将正弦波转换为矩形波信号。3. RC 微分电路和三极管整形电路将矩形波信号转换为下跳变窄脉冲，触 发后级。4. 555 定时器构成单稳态触发器，输出一定宽度的单稳态正脉冲信号。5. 二阶 RC 滤波电路获得小纹波系数的直流电压信号。6. 同相比例放大电路线性放大直流电压信号，满足设计参数要求电路的整体框图如图 1 所示。图图 1 线性线性 F/V 转换原理框图转换原理框图2.2 可行性分析可行性分析在单稳电路输出脉冲信号的宽度 UH及宽度 tW确定的条件下，平均输出电压 U0 可表示为0.w H ituUT其中，Ti 为输入信号的周期。由及上式可得1fT0.H i wUUff其中，UH 和 fw 为常数。由此可知，输出直流电压与输入信号的频率呈线性关 系。故该方案切实可行。2.2 各模块的组成各模块的组成1. 输入信号输入信号信号的输入采用函数信号发生器实现，信号类型选择正弦波，调节其频率为 010kHz，幅度为 20mV（峰峰值）。2. 交流放大电路交流放大电路因需要给下一阶段转换电路的电信号幅度为“伏”级，该放大电路可采用运 放构成的两级放大器。应在保证输出波形不失真的前提下，满足下一个电路的 触发电平需要。这里我们采用三运放仪表放大器，图 2 所示为一个基本三运放 仪表放大器的结构。图图 2 基本三运放仪表放大器电路图基本三运放仪表放大器电路图当 R1=R2=R3=R4 时，R5=R6，其差模增益可表示为5 02(1)i gRuuR在设计中,选择放大倍数约为 100 倍,选择R1=R3=1k，R2=R4=75k，R5=R6=1k，Rg 为滑动变阻器，通过不断调节滑动变阻器的大小来控制放大倍数。3.转换电路转换电路因为 555 定时器的工作电源为正极性单电源，不能处理负极信号，所以在转 换电路之前先将前一级输出的正弦信号并联一个二极管，滤除小于 0v 的部分， 作为 555 的输入信号。滤除负极性信号的电路示意图如图 3 所示。图图 3 滤除负极性信号电路滤除负极性信号电路用 555 芯片构成的施密特触发器将正弦波转换成矩形波。施密特触发器又称 为电平触发的双稳态触发器，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信号达到 某一电压值时，输出电压会发生突变。当其输入信号上升达到正向阈值电压或下降达到负向阈值电压时，输出电平发生翻转。TUTU555 定时器的控制功能如表 1 所示。将 555 定时器的阈值输入端（6 脚）和触发器输入端（2 脚）连在一起，便 构成了施密特触发器，如图 4 所示。当输入如图 5 所示的三角波信号，则从施 密特触发器的 U0 端可得到方波输出。图图 4 电路图电路图 图图 5 波形图波形图如果将图 4 中 5 脚外接控制电压 Uic，改变 Uic 的大小，可以调节回差电压 的范围。采用施密特触发器这种具有迟滞特性的转换电路，可以有效地提高其 抗干扰能力。4. 单稳电路单稳电路由于前一模块转换电路的矩形波频率是由出事的函数信号发生器产生的信号 频率决定的，单稳电路要求输入触发脉冲的宽度小于输出脉冲的宽度 tw，可能 此时负脉冲的宽度会大于输出脉冲宽度，而 RC 微分电路的特点是能突出反映 输入信号的跳变部分，其时间常数=RC 很小，根据此特点，课把信号中跳变部分转变为尖脉冲而加以利用，可加三极管构成反相器对微分波形进行整形。 微分电路如图 6 所示。图图 6 微分电路微分电路单稳电路的作用是将前一模块输出的矩形信号转换成高度和宽度一定的脉冲 信号。单稳电路可由 555 定时器外接一些阻容器件构成，其典型电路及工作波 形如图 6 和图 7 所示。图图 7 电路图电路图 图图 8 波形图波形图输入负触发脉冲加在低电平触发端（2 脚），以下降沿触发。如图 7 中 R、C 是外接的定时元件，电路的输出脉冲宽度 tw 等于电容电压 Uc 从 0 上升到所需的时间，故有2 3ccVlnln31.12 3cc wccccVtRCRCRC VV 由上式可知，该电路输出脉冲的宽度 tw 仅取决于电路本身参数（R、C 参 数），而与电源电压、触发脉冲无关。通常外接电阻 R 的取值范围为几百欧姆到几兆欧姆，外接电容 C 的取值范围为几百皮法到几百微法，相应的 tw 为几 微秒到几分钟。一般建议 tw 在 20us30us 之间。在此设计中，R 取 1k 欧姆，C 取 10nF。时间常数 tw 符合要求。5.滤波电路滤波电路为了获得纹波较小的直流信号，可以采用二阶 RC 低通滤波器来实现，其电 路结构如图 9 所示。该电路由电阻和电容构成，以实现对高频信号的衰减。二 阶低通滤波器是由两个一阶低通滤波器串联得到的。图图 9 二阶二阶 RC 低通滤波电路低通滤波电路这类阻容滤波电路的滤波效能高，能兼降压限流作用，适用于负载电阻较 大、电流较小及要求纹波系数很小的情况。6. 直流信号放大电路直流信号放大电路当信号经过单稳电路和滤波电路后，幅度较小，故采用放大电路线性放大 该信号，以满足该要求。用由运放构成的同相比例放大电路实现对信号的线性 放大，其典型电路如图 10 所示。图图 10 同相比例放大电路同相比例放大电路同相比例放大电路的增益可表示为0 1(1)f iRUUR在此设计中 R1 取 1k，Rf 用滑动变阻器代替，不断调节滑动变阻器来使 电路达到要求。第三章第三章 单元电路设计与分析单元电路设计与分析3.1 输入信号输入信号输入信号由函数发生器产生，峰峰值为 20mv，频率为 010KHZ，该设计 选用的是正弦波，波形如图 11 所示。图图 11 输入信号的波形输入信号的波形3.2 交流放大电路交流放大电路仿真电路图如图 12 所示。图图 12 交流放大电路仿真电路图交流放大电路仿真电路图输出波形如图 13 所示，放大后的电路峰峰值为 8.107V。图图 13 交流放大电路输出波形交流放大电路输出波形3.3 负极性信号滤除电路负极性信号滤除电路仿真电路图如图 14 所示。输出波形如图 15 所示，由输出波形可知，基本 已滤除负极信号。图图 14 负极信号滤除电路图负极信号滤除电路图 图图 15 负极信号滤除波形图负极信号滤除波形图3.4 转换电路转换电路仿真电路如图 16 所示。输出波形如图 17 所示，得到标准的矩形波信号。图图 16 转换电路图转换电路图 图图 17 转换电路波形转换电路波形3.5 微分电路微分电路仿真电路如图 18 所示。输出波形如图 19 所示。图图 18 微分电路图微分电路图 图图 19 微分电路输出波形微分电路输出波形3.6 单稳电路单稳电路仿真波形如图 20 所示。输出波形如图 21 所示，从波形可以看出，已经转 换成高度和宽度一定的脉冲信号。图图 20 单稳电路图单稳电路图 图图 21 单稳电路输出波形单稳电路输出波形3.7 滤波电路滤波电路仿真电路如图 22 所示。输出波形如图 23 所示，从波形可以看出，得到直 流信号。图图 22 滤波电路图滤波电路图 图图 23 滤波电路输出波形滤波电路输出波形3.8 直流信号放大电路直流信号放大电路仿真波形如图 24 所示。图图 24 直流信号放大电路图直流信号放大电路图输出波形如图 25 所示，得到放大的直流信号。图图 25 直流信号放大电路波形直流信号放大电路波形第四章第四章 电路的组构与调试电路的组构与调试4.1 调试方法及注意事项调试方法及注意事项1. 该系统为开环系统,可以逐步功能实现,逐步完成。2. 芯片具有额定工作电压,超出电压容易烧毁芯片,因此在电路通电前检查 电压是否合理。3. 电路中使用了极性电容，电路通电前需要检查极性是否正确，避免实验 出现安全问题。4. 电路整体使用电阻较多，使用前最好用万用表测试电阻阻值是否合理， 减小实验的系统误差。5. 实验前做好仿真，可以减少实验器材选用时间，提高效率。4.2 遇到的主要问题遇到的主要问题此次课程设计最终结果较为圆满，但在设计的仿真与测试过程中，仍然遇 到了许多问题，这些问题最终大多得以解决。遇到的主要问题有：1. 在组装完电路后，接通电源，没有得到预期的