东华大学信息学院模电课程设计

摘要 ........................................................................................................................................... 1 第一章 设计指标 ..................................................................................................................... 2

1.1 设计概述 .......................................................... 2 1.2 设计任务 .......................................................... 2 1.3 性能指标要求 ...................................................... 2 第二章 系统概述 ..................................................................................................................... 3

2.1 设计思想 .......................................................... 3 2.2 可行性分析 ........................................................ 3 2.2 各模块的组成 ...................................................... 4

1. 输入信号 .............................................................................................................. 4 2. 交流放大电路 ...................................................................................................... 4 3.转换电路 ................................................................................................................ 5 4. 单稳电路 .............................................................................................................. 6 5.滤波电路 ................................................................................................................ 8 6. 直流信号放大电路 .............................................................................................. 8

第三章 单元电路设计与分析 ............................................................................................ 10

3.1 输入信号 ......................................................... 10 3.2 交流放大电路 ..................................................... 10 3.3 负极性信号滤除电路 ............................................... 11 3.4 转换电路 ......................................................... 12 3.5 微分电路 ........................................................ 12 3.6 单稳电路 ......................................................... 13

3.7 滤波电路 ......................................................... 13 3.8 直流信号放大电路 ................................................. 14 第四章 电路的组构与调试 ................................................................................................... 15

4.1 调试方法及注意事项 ............................................... 15 4.2 遇到的主要问题 ................................................... 15 4.3 现象分析与解决措施 ............................................... 15 4.4 测试数据与误差分析 ............................................... 16 4.5 电路仪器仪表说明 ................................................. 17

1.电路说明及改进意见 .......................................................................................... 17 2.主要仪器仪表说明 .............................................................................................. 17 3.元器件说明 .......................................................................................................... 17

第五章 总结 ........................................................................................................................... 18 附录 ......................................................................................................................................... 19 参考文献 ................................................................................................................................. 20

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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。

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第一章 设计指标

1.1 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

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

1. 输入频率为0~10kHz、幅度为20mV（峰峰值）的交流信号。 2. 线性输出0~10V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。

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第二章 系统概述

2.1 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1 线性F/V转换原理框图

2.2 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

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u0tw.UH Ti其中，Ti为输入信号的周期。 由f1及上式可得 TU0UH.fi fw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

1. 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0~10kHz，幅度为20mV（峰峰值）。

2. 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2 基本三运放仪表放大器电路图

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当R1=R2=R3=R4时，R5=R6，其差模增益可表示为

u0(12R5)ui Rg在设计中,选择放大倍数约为100倍,选择R1=R3=1kΩ，R2=R4=75kΩ，R5=R6=1kΩ，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

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3 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UT或下降达到负向阈值电压UT时，输出电平发生翻转。 555定时器的控制功能如表1所示。

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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4 电路图 图5 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

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。

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图6 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7 电路图 图8 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

2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Vcc所

3需的时间，故有

twRClnVccRCln31.1RC 2VccVcc3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

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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20us~30us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

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9 二阶RC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

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10 同相比例放大电路

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同相比例放大电路的增益可表示为

U0(1RfR1)Ui

在此设计中R1取1kΩ，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。

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第三章 单元电路设计与分析

3.1 输入信号

输入信号由函数发生器产生，峰峰值为20mv，频率为0—10KHZ，该设计选用的是正弦波，波形如图11所示。

图11 输入信号的波形

3.2 交流放大电路

仿真电路图如图12所示。

图12 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。

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图13交流放大电路输出波形

3.3 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14 负极信号滤除电路图 图15 负极信号滤除波形图

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3.4 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16 转换电路图 图17 转换电路波形

3.5 微分电路

仿真电路如图18所示。输出波形如图19所示。

图18 微分电路图 图19 微分电路输出波形

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3.6 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20 单稳电路图 图21 单稳电路输出波形

3.7 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22 滤波电路图 图23 滤波电路输出波形

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3.8 直流信号放大电路

仿真波形如图24所示。

图24 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25 直流信号放大电路波形

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第四章 电路的组构与调试

4.1 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

此次课程设计最终结果较为，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，没有得到预期的输出结果，检查发现芯片

发热。

2. 在组装完放大电路部分时，用函数信号发生器和示波器测试发现输出的

波形严重失真。 3. 测试电路时发现实验误差太大，超过规定的误差范围。

4.3 现象分析与解决措施

1. 正常情况下，芯片不应该会有明显的发热现象，若出现则可能出现了短路问题，这时应该查看电流大小是否合理，马上断开电源，检查电路是否存在短路问题。通过检查电路发现，确实存在短路，源于对电路板内部结构不熟悉，出现短路错误，由于及时断电，更正后芯片并没有损坏，回到正常状态。 2.一般情况下，波形出现失真，可能是放大倍数过大，这时需要调节电阻的值或者运放的静态工作点。通过不断调节，选择合适的电阻以及静态工作点来消除失真。

3. 实验误差多是由于电阻电容的选择不当造成的，但是在检查尝试的过程中，不断更换电阻电容，误差未有任何减小的迹象。最后发现该设计缺少一个减

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小误差的调零部分。所以在电路中增加滑动变阻器进行调试，误差得以减小，数据准确度变高。

4.4 测试数据与误差分析

通过改变输入波形的频率，得到如下电压数据： 频率 理论值 实际值 误差 1kHz 1V 1.042V 0.042V 3kHz 3V 3.033V 0.033V 5kHz 5V 4.9V 0.036V 7kHz 7V 7.024V 0.024V 9kHz 9V 9.012V 0.012V 10kHz 10V 10.022V 0.022V

作出F/V的图像：

由图像可知，输出的电压V与频率F之间存在线性关系。 误差分析：

实验基本符合实验要求，具体实验测量值存在一定误差，挡在实验允许范围内，出现误差的可能原因在于电阻电容取值不太合理，例如在滤波电路中，采用1k的电阻会增长实验值的差量时间，也会增加误差。

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4.5 电路仪器仪表说明

1.电路说明及改进意见

电路总图见附录，在设计过程中，应该布局合理，减少接线交叉的错觉，同时应该将元器件合理编号，便于理解记录。

2.主要仪器仪表说明

试验中用到函数信号发生器，产生输入信号，输入波形的峰峰值，有效值等。万用表在电路接入电阻或者阻值检查时测量阻值。示波器时刻观察波形，检查实验过程中的电路问题，元件使用问题。数字信号发生器提供稳定直流+12V，-12V的电压。

3.元器件说明

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第五章 总结

通过此次课程设计,我对《模拟电子技术基础》这门课程有了更为深入的了解。从之前上课的纯理论知识，到现在要靠自己设计电路图并且组装电路，使我更加懂得“实践方能出真知”的道理。在教材上，这些单独的元器件是分开讲的，对于老师讲课的时候也没有对其联系进行仔细的评讲，因此这样也就给我们在课程设计的过程中留下充分的契机，同时也让我们体会到探索的乐趣。

对我而言，知识上的收获重要，精神上的收获更佳，让我知道了完成一件事情必须要求仔细和耐心以及不怕苦的专研精神。学无止境，我们每个人永远不能满足现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一种财富，经历是一份拥有，这次课程设计必将成为我人生旅途上一个美好的回忆。

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附录

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参考文献

[1]杨上河.电子技术试验与模拟电子技术课程设计.西安：西安电子科技大学出版社，2012年9月

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2010年11月

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