模拟电路之电压频率转换

模拟电路课程设计报告设计课题：电压频率转换专业班级：09电气技术教育学生姓名：易群学号：090805031指导教师：曾祥华设计时间：2011/1/10（以上小二号、行距40磅）电压频率转换一、设计任务与要求1．将输入的直流电压（10组以上正电压）转换成与之对应的频率信号。

2．用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。

（提示：用锯齿波的频率与滞回比较器的电压存在一一对应关系，从而得到不同的频率.）二、方案设计与论证(一)电源部分单相电压经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。

直流电源的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压，变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，再通过低通滤波电路滤波，减小电压的脉动，使输出电压平滑，但由于电网电压波动或负载变化时，其平均值也将随之变化，则在滤波电路后接个稳压电路，使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载变化的影响，从而获得足够高的稳定性。

在此次设计中则用220v、50Hz的交流电通过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路利用桥式整流电路实现正、负12V直流电压。

方框图如下：原理：图 10.1.1 直流稳压电源的方框图电网电压直流稳压电源通过变压器、整流、滤波、稳压来实现。

1）通过电源变压器降压后，再对220V 、50Hz 的交流电压进行处理，变压器副边电压有效值决定于后面电路的输出电压。

2)变压器副边电压通过整流电路将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，一般整流电路用单相半波整流和单相桥式整流，但单相半波电路仅试用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合，所以此次采用单相桥式整流电路。

3）经过整流电路的电压仍含有交流分量，再为了减小电压的脉动，则接一滤波电路，输出电压平稳。

图如下：4）交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流成分较小的直流电压，但是当电网波动或者负载变化时，它的值也会变动，则通过稳压电路使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载变化的影响，从而得到更好的稳定行。

方案一、单相半波整流电路设变压器的副边电压有效值为U 2，则其瞬时值U 2=2sinwt 。

在U 2的正半周期，A 点位正，B 点位负，二极管外加反向电压，因而处于导通状态。

电流从A 点流出，经过二极管D 和负载R L 流入B 点， u 0= u 22sinwt （wt=0～π）。

在u 2的负周期，B 点为正，A 点为负，二极管外加反向电压，因而处于截至状态，u 0=0（wt=π～2π）。

负载R L 的电压和电流都具有单一方向脉动的特性，图1为单相半波整流电路：滤图1，图2为变压器副边u2、输出电压u（也是输出电流和二极管的电流）、二极管端电压的波形。

图2方案二、桥式整流电路设变压器的副边电压有效值为U2，则其瞬时值U2=2sinwt。

当u2为正半周期时，电流由A点流出，经D1、RL、D3流入B点，如图3所tUsin22L22RU22U22U示，因而负载电阻R L 上的电压等于变压器副边，D 2和、D 4管承的反向电压为- u 2。

图3这样，由于D 1、 D 3和D 2、 D 4两对二极管交替导通，致使负载R L 上在u 2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压u 0=｜2Usinwt ｜。

图4所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。

由于第一种方案即单相半波整流电路只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，脉动大，效率低。

所以采取第二中方案即单相桥式整流电路。

（二）电压转换为频率物理量通过传感器转换成电信号后，经预处理变换为合适的电压信号，然后去控制压控振荡器电路，再用压控震荡电路的输出驱动计数器，使之在一定时间间隔内记录矩形波的个数，并用数码显示。

它的功能是将输入直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压。

总的流程如下图所示：传感器预处理 电路压震器图4 单相桥式整流电路i D1 i D2i D3 i D4方案一、电荷平衡式电路电荷平衡式电压频率转换电路由积分器和滞回比较器组成，它的原理如图5所示，图中S为电子开关，受输出电压的控制。

设uI <0,｜I｜>>｜iI｜；u的高电平为UOH,u的低电平为UOL；当u=UOH 时S闭合，当u= UOL时S断开。

若初态u= UOL，S断开，积分器对输入电流iI 积分，且iI= uI／R，u1O随时间逐渐上升；当增大到一定数值时，u从UOL 跃变为UOH，使S闭合，积分器对恒流源电流I与iI的差值积分，且I与iI 的差值近似为I，，u1O随时间下降；因为｜I｜>>｜iI｜，所以u1O下降速度远大于其上升速度；当u1O 减小到一定数值时，u从UOH跃变为UOL，回到初态。

由于T约等于T1。

方案二、复位式压控电路电路由积分器和单限比较器组成，S为模拟电子开关，可由晶体管或场效应管组成。

设输出电压u0为高电平S断开,u的低电平时S闭合。

当电源接通后，由于电容C上电压为零，即u0=0，使u= UOH，S断开，积分器对uI积分，u1O逐渐减小；一旦u1O 过基准电压-UREF，u将从UOH跃变为UOL，导致S闭合，使C迅速放电至零，即u0=0，从而u从UOL跃变为UOH；S又断开重复上述过程。

如下图：将方案一与方案二进行比较可知，方案二中，输出显示的频率不仅决定于Ui还与Uref有关，相对方案一而言，操作起来更复杂，而且方案一的电路，满刻度输出频率高，线性误差小，精确度高，要双电源供电，但正好有正负12V 电压，从以上来看，选择方案一即电荷平衡式。

三、单元电路设计与参数计算.（一）电源部分1、整流电路原理图如下：（1）工作原理1.当u2 >0时，电流由+流出，经D1、RL、D2流入-。

2.当u2 <0时，电流由-流出，经D3、RL、D4流入+。

这样，由于D1，D3和D2，D4两对二极管交替导通，致使负载电阻Rl在整个周期内都有电流通过。

波形图如上。

（2）输出电压平均值 UO(A V) 和输出电流的平均值IO(A V)（3）脉动系数（4）二极管的选择在单相桥式整流电路中，因为每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。

即二极管承受的最大反向电压：考虑到电网波动的范围为正负10%，在实际选用二极管时，应至少留10%的余地，选择最大整流平均电流IF 和最高反向工作电压U RM 分别为2、滤波电路电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路，如下图所示：2202O(AV)9.022)(td sin 21U U t U U =π=π=⎰πωω2202O(AV)9.022)(td sin 21U U t U U =π=π=⎰πωω)4cos 1542cos 342(22O t t U u ωωπ-π-π=67.0322232422O(AV)O1m ====∴U U U U S ππL2AV O AV D R U 45.02I I ≈）（）（＝2max R 2U U =L2AV O F R U 21.12I 1.1I π＝）（>2R 21.1U U >理想情况下的波形和考虑整流电路内阻时的波形滤波电容容量较大，因而一般均采用电解电容器。

在接线时要注意电解电容的正负极。

电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。

理想情况下的波形和考虑整流电路内阻时的波形分别如上。

滤波原理以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。

当u2上升，u2大于电容上的电压uc，u2对电容充电，u= uc≈ u2时间常数τ = (RL// Rint ) C（小）当u2下降, u2小于电容上的电压。

二极管承受反向电压而截止。

电容C通过RL 放电，uc按指数规律下降，时间常数τ = RLC。

放电时间常数τ远远大于充电时间常数τ。

滤波效果取决于放电τ，其值愈大，滤波效果愈好，即，电容愈大，负载电阻愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大。

波形图如下：（1） 输出电压平均值设整流电路内阻较小而R L 较大，电容每次充电均可达到u 2的峰值，然后按R L C 放电的起始斜率直线下降，经R L C 交于横轴，且在0.5个周期处的数值为最小值U min O ，则输出平均值为当负载开路时，即R L 无穷大时， 当R L C ＝（3~5)T/2时考虑电网电压波动，电容的耐压值应满足RC=（3~5）T /2即，应大于1.2U 2。

（3）脉动系数 S3稳压二极管稳压电路整流滤波电路输出电压不稳定的主要原因： 负载变化、电网电压波动。

（1）利用三端稳压7812、7912来构成稳压电路图如下：)41(22U U U 2Omin Omax AV O CR TU L -=＋＝）（2O(AV)2U U =2AV O U 2.1U ≈）（141O(AV)O1m -==TC R U U S LC5470nFC6470nF1N4001若输出电压较高，接在7912、7812接一保护二极管D，一般为IN4001到4003，此常用IN4001，以保护集成稳压器内部的调整管。

LM7812和LM7912的输出电压分别了正负12伏，LM7812是1为输入端，2为公共端，3为输出端，LM7912是1为公共端，2为输入端，3为输出端。

图中C4和C3是用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小一般小于1微法。

图中电容C5和C6是用于消除输出电压中高频噪声，可取小于1微法的电容，也可以去几微法或几十微法的电容，一边输出较大的脉冲电流。

（二）功能部分如图（a）所示，两个集成运放输出电压的波形如图（b）所示，根据对锯齿波的分析可知，图（a）所示的阈值电压为︱ UT ︱=︱21RR.UZ︱在图（b）波形中的T2时间段，u1O对uI的线性积分，其起始值为- UT，终了值+ UT ，因而T2应满足T 2=212R RwC R .IZu U 当R W ﹥﹥R 3时，振荡周期T ≈T 2，故振荡频率 f ≈21T =Zw CU R R R 122 ︱U I ︱ 振荡频率与输入电压成正比图（a ）图(b)四、总原理图及元器件清单电源部分：1．电压转换频率：波形如下：双踪示波器、万用表（模拟或数字）、交流毫伏表各一台，自己焊的电路，导线若干。

2．元件清单五、安装与调试1、电源部分安装画好电路图，据此来焊电路。

首先，将电路布好局，从左到右，先不装变压器，用万用表来判别二极管的P、N短，再将小二极管焊好，然后依据图中电容的正负将电容焊好，通过查阅资料了解7812、7912的管脚分配情况，知道7812的1端是输入，2端是公共端，3端是输出端，而7912是1端为公共端，2端为输入端，3为输出端，以防搞错，按照正确的方式将它们焊好，在将后面的几个电容焊好，其次用万用表判断发光二极管的好坏后，再将其焊进去，最后将其他的一次焊好，并把变压器的三端按正确的方式焊好，并将其固定在电路板上。