毕业设计论文高精度线性电压频率转换器

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1、毕业设计说明书题 目： 高精度线性电压频率转换器学 院： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2010年5月 目录摘要1ABSTRACT1第1章 引 言21.1 高精度电压频率转换的目的21.2 有关电压频率转换的应用2第2章 设计方案的确定42.1实现电压频率转换的方法42.2方案的分析42.2.1通过多谢振荡器来实现电压频率转换42.2.2 集成化电压/频率转换电路：7第3章 方案比较确定14第4章 工作原理154.1元器件介绍154.1.1 555定时器154.1.2 LM324运算放大器17第5章 工作原理215.1 稳定电压源模块215.2 信号输入模块225.3

2、恒流源模块235.4 输入信号变换模块235.5 555定时器为核心的压频转换模块235.6 实验数据分析245.7 实验仿真26第6章 总结28谢辞29参考文献30高精度线性电压频率转换器摘要：设计高精度电压转换器，可以利用LM324运算放大器与555定时器为核心器件的高精度线性电压频率转换器。整个电路主要是由稳定电压源模块、信号输入模块、恒流源模块、输入信号变换模块、以555定时器为核心的压频转换模块等5个模块组成的。本设计方案温漂小、抗干扰能力强、价格便宜、线性度较好、而且变换精度高。关键词：555定时器；线性；电压频率转High precision linear voltage fre

3、quency converterAbstract: Design precision voltage converter, can use LM324 op-amp 555 timing for the core device with the high precision linear voltage frequency converters. The whole circuit is mainly composed of stable voltage source module, signal input module, constant current source module, in

4、put signal transformation module, 555 timing as the core to pressure frequency conversion module, as well as five modules. This design scheme WenPiao small, strong anti-jamming capability, cheap, good linearity and transform high precision. Keywords: 555 timing; Linear; Voltage frequency conversion

5、30第1章 引 言1.1 高精度电压频率转换的目的电压频率转换器VFC（Voltage Frequency Converter）是一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。电压频率转换器也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。随电压频率转换实际上是一种模拟量和数字量之间的转换技术。当模拟信号（电压或电流）转换为数字信号时，转换器的输出是一串频率正比于模拟信号幅值的矩形波，显然数据是串行的。这与目前通用的模数转换器并行输出不同，然而其分辨率却可以很高。串行输出的模数转换在数字控制系统中很有用，它可以把模拟量误差信号变成与之成正

6、比的脉冲信号，以驱动步进式伺服机构用来精密控制。着现代电子技术渐渐的向着大规模的数字集成电路发展，面对大量的连续变化模拟量例如幅度的变化。难以对其直接分析，但可以先将模拟量转换成数字量，再在研究中都对数字信号（0和1）的直接处理分析的方法，这就需要将信号由模拟到数字进行变换。而本设计高精度电压转换器既：电压频率转换。其过程即实现了由模拟量到数字量的转换。在进行数模转换过程中，可以应用的芯片很多，如AD0809、AD574A、LM331等都可以实现数模转换。但人们发现芯片一般输出都是并行输出（独立、同时、同步），但一般的电路对信号的处理都是串行的。但运用电压转换为频率就解决了数模的转换，同时又可

7、以输出串行信号，几乎完全可以替代AD芯片的作用。另外相对于电压，一个信号的频率更为稳定。大家发现通过讲电压先转换为频率，再测量其频率值，从而即可得到电压的幅度值。所以在测量中不管信号的幅度值有多大，都可以只考虑其转换后所得到的较之更为稳定的频率来代替直接对信号的分析，这样得到的结果精度会更高。以上都使得此课题非常具有研究价值。1.2 有关电压频率转换的应用电压频率转换器在无线电技术中，用作频率调制（FM）；在信号源电路中，用作压控振荡等。其用在A/D转换器时拥有的独特特点，良好的精度、线性和积分输入特性，常能提供其他类型转换器无法提供的性能和效果。因为用频率表示的模拟量本身就属于一种串行数据流

8、，所以在大型多通道系统中很容易传输处理，因为频率信号可以使用廉价的数字传输线发送器和接收器通过长线来进行传输，抗干扰能力强，并避免了使用昂贵的模拟多路转换电路。电压/频率转换器跟双斜率A/D转换器一样，具有真正的积分输入特性。逐次近似A/D转换器定期进行“抽样“，因此易受噪声峰值点的影响，而电压频率转换器的输入端一直在进行积分，因此能对噪声或变化的输入信号进行平滑的处理。第2章 设计方案的确定2.1实现电压频率转换的方法实现电压/频率的转换的方法很多，电压/频率转换电路实际上是一种振荡电路，它的振荡频率随外加控制电压变化而变化。对它的基本要求是输出频率应与输入控制电压成线性关系，且动态范围要大

9、，加上本设计的要求既高精度。一般我们设计电压频率转换的方法大致分为以下几种：(1) 通过多谐振荡器实现电压频率转换；(2) 通过集成化电路实现电压频率的转换。2.2方案的分析首先我们来简单分析一下以上两种压频率转换方式，通过对它们优、缺点的分析来得出本此设计所采用的方法。2.2.1通过多谢振荡器来实现电压频率转换 参考电压OSC驱动器AMPOUT-VSRVin图2.1电压频率转换器框图这种设计的电压频率转换器系统框图如图2.1，包括一个由放大器组成的电压电流转换器、带隙恒流源和多谐振荡器。其中多谐振荡器采用射极耦合电路，其振荡频率与控制电流成正比，而控制电流由输入电压大小决定，参考电压源为振荡

10、器提供稳定的偏置，驱动级接受振荡波形并对外部模块提供大的电流输出。整体结构设计：电压频率转换器一般要求具有高的线性度(01)、动态范围(10000：1)和低的频率温度漂移(100ppm/K)，其中最关键的部分 为振荡器。本文采用文献1提出的集电极钳位振荡器思路，如图2.2所示，电压VR为稳定的参考电压源。Q1、Q2、A1、A2组成正反馈环路，稳态时Q1、Q2一个导通，一个则截止。假定Q1导通，它的发射极电流为2I，电容C上充电电流方向自左向右，D1导通，Q1的集电极电位被钳置在(VS-VR-VBE)，VBE为一个二极管的正向压降；Q2截止，D4导通，流经D4的电流也为I，则Q2的集电极电位被钳

11、置在(VS-VBE)，两个集电极电压之差为VR，Q2导通时情况也一样。这样振荡器的电压摆幅就为VR，不随温度、电源电压的影响。频率f可表示为：f=I/(4CVR) (1)设置充电电流I=vin/(3R)，VR=833mV，则频率为f=vin/(10RC) (2)以上对图2电路的分析都是基于理想情况下的，即假定Q1、Q2、A1、A2所组成正反馈环路的反转时间很短，Q1、Q2在过渡状态时集电极电流为O或I。实际上这种假设只有在绝对零度时成立，在实际情况下，过渡状态附近Q1、Q2的集电极电流处于O和I之间，这样就影响了电容充电电流的大小，而且这个变化与系统所处的环境温度有关。文献1仔细分析了过渡状态

12、时充电电流的变化和对振荡频率的影响，认为对于固定的VR，振荡频率随温度升高而线性升高，频率温度系数约为230ppmK。因此要想得到一温漂小于100ppmK的性能，必须产生一正 温度系数的VR来做补偿。需分三个主要模块设计：1、振荡器电路设计如图2.3示出了多谐振荡器电路图。钳位二极管D1-D6被三极管Q12-Q17代替，Vin为输入电压，VR为参考电压源。电路采用自适应偏置的技术，Q3、Q4、Q5集电极电流I随输人电压而改变，Q6面积为Q7的两倍，使它的集电极电流为21。Q9、QlO的加人使Q3、04、Q5的集电极发射极电压Vce基本相同，增加了电流的匹配。振荡器电压摆幅等于Q12、Q16基极

13、电压之差，与电源电压的波动无关。2、输入放大器设计图2.5 带隙衡压源电路如图2.4所示为输入放大器的设计。Q1、02采用纵向PNP三极管，这样可使输入电压低至(-VS)：Q9、QlO为Q3、Q4提供基极偏置电流，提高Q3、Q4集电极电流的匹配，Q3、Q4偏置电流应具有正的温度系数，这样可减小整个放大器的失凋电压；R2、只3为凋零电阻，输入信号差分放大后经两个缓冲器电流放大可直接驱动多谐振荡器的Q3、Q4、Q5。3、带隙偏置源的设计如图2.5为带隙恒压源的设计电路图。带隙恒压源采用传统的方法设计，、组成差分放大器，取面积是的8倍,、集电极电流相等，则可得两端电压为取，发射极电压为 适当选择r值

14、，可使温度系数很小。AMP和组成电压电流转换器，流经的电流，其中为正温度系数，因此在两端可产生正温度系数的电压以补偿振荡器固有的负温度系数的频率漂移。偏置电压可送至输入放大器，因为的集电极电流为正的温度系数，恰好满足输入放大器偏置的要求。模拟结果：a)对振荡器电路做温度特性分析： 如图2.6所示，为振荡器频率于温度关系图。当参考电压VR分别取(0833V+0ppm)(B1、C1)和(0833V+230ppm)(B2、C2)，输入电压取1V和100mV。可以看出，适当选取正温度系数的参考电压VR，可使振荡器在0-70的范围内频率温度系数处于100ppm以下。 图2.6 振荡器频率与温度关系图b)

15、对电压频率转换器的线性度和动态范围的仿真分析：如图2.7显见从01mV变化到1V，振荡器频率线性增加。由图2.8可知线性误差小于01，动态范围80dB。图2.7 输入电压与振荡器频率关系 图2.8 振荡器非线性误差模拟结果显示：设计的电压频率转换器具有小于01线性度，动态范围大于80dB，频率温度漂移小于100ppm/K。2.2.2 集成化电压/频率转换电路：利用芯片设计电压频率转换器，输入电压通过一个稳压电路之后输出，然后直接输入到芯片输入端，在芯片外部接入由电容电阻所构成充放电电路，就能够组成电压频率转换电路，并且转换精度较高。原理框图如图2.9所示：稳压电路系统压频转换系统图2.9 集成

16、电压转换器原理框图此方法可以采用图2.10所示的基本电路。这种电路具有下述优点：精度高,线性度高,功耗低、体积小。实现V/F 转换有很多的集成芯片可以利用，例如：AD652S，AD7740,LM331等。这里以LM331为例。输出频率LM331集成芯片输入电压稳压电路充放电电路 系统总框图 图2.10输入电压在经过稳压电路处理后，变为稳定的直流电压，再经过外接了充放电电路的芯片后，转换为频率，因为有了稳压电路处理，所以精度提高了。达到了高精度目的，再经过压频转换，得出想要得到的高精度频率输出。整个设计分为两部分，第一部分为稳压电路部分，第二部分为压频转换部分；在下面的设计介绍中会分成两个部分简

17、要介绍。（1）稳压电路系统分析稳压电路系统由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图2.11所示。稳压滤波整流变压输入 输出（a） 稳压电源的组成框图 u1 u2 u3 uI U0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t （b）整流与稳压过程图2.11稳压电源的组成框图及整流与稳压过程稳压电路中主要问题在于整流：将交流电转为直流电。可用单相桥式整流电路，单相半波整流电路，单相全波整流电路等电路来实现。因为单相桥式整流电路使用的整流器件较全波整时多一倍，整流电压脉动与全波整流相同，每个器件所承受的反向电压为电源电压峰值，变压器利用率较全波整流电路高。所以在稳压系统中采用单相桥式

18、整流电路。整流电路采用桥式整流电路，电路如图2.12所示。在u2的正半周内，二极管D1、D4导通，D2、D3截止；u2的负半周内，D2、D3导通，D1、D4截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图2.13所示。整流电路2.12输出波形图 图2.13在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(U2是变压器副边电压有效值)。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出

19、波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.11.2)U2，直流输出电流：（I2是变压器副边电流的有效值），稳压电路可选集成三端稳压器电路。总体原理电路见图2.14。稳压电路原理图 2.14a)选择集成三端稳压器因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。这里我们采用的是LM317T,管脚图和典型电路如图2.15 图2.15 管脚图（左）和典型电路（右） 输出电压表达式为: 式中，1.25V是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压 ，此电压加于给定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器，电阻常取值2k，在这里，采用10K的电位器，其最大阻值为10

20、.36k再串联一个R2，其阻值为2.2k,根据LM317输出电压表达式，取：,。我们一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10F大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。LM317其特性参数：输出电压可调范围：1.25V37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差U=Ui-Uo：340Vb)选择电源变压器 电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：。其中，是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表2.1所示：表2.1 小型变压器的效率 副边功率

21、效率0.60.70.80.85因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。由于LM317的输入电压与输出电压差的最小值，输入电压与输出电压差的最大值，故LM317的输入电压范围为： 即 ， 取 变压器副边电流： ，取，因此，变压器副边输出功率： 由于变压器的效率，所以变压器原边输入功率，为留有余地，选用功率为的变压器。c)选用整流二极管和滤波电容由于：，。IN4001的反向击穿电压，额定工作电流，故整流二极管选用IN4001。d)选用滤波电容根据 ，和公式可求得： 所以，滤波电容： 电容的耐压要大于，故滤波电容C取容量为，耐压为的电解电容。（2）压频转换系统工作原理说明：如图2.16

22、为压频转换系统的电路图：Ui8+5VVCCVCC123 fo564CtRs2RS触发器精密电流电流开关基准电路CL+-输入比较器-定时比较器QR2R输出驱动复零晶体管7图2.16 压频转换电路当输入端(7管脚) Ui输入一正电压时，输入比较器输出高电平，然后RS触发器置位1，输出高电平，输出驱动管导通，3管脚输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct两端充电电压大于Vcc 的2/3时，定时比较器输出一高电平，使RS触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通，电容Ct通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容CL对电阻RL

23、放电。当电容CL放电。电压u6等于输入电压Ui时，输入比较器再次输出高电平,使RS触发器置位。如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Ui成正比，从而实现了电压频率的线性变换。通过查询资料，发现其输入电压和输出频率的关系为: 由式知电阻Rt、RL、Rs、和Ct 直接影响转换结果fo，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻Ri和电容Ci组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。输入管脚的电阻Ri和电容Ci组成低通滤波器电路，取值对电路影响不大，接地电容Ci取漏电流小的电容器，可以取0.01uF，Ri取100k。RC回路的充电时间t由定时元

24、件Rt 和Ct 决定，其关系是:。典型值取Rt=6.8k，接地电容一般取Ct=0.01F，则t=7.5s。假设电容CL 的充电时间为t1，放电时间为t2，则根据电容CL 上电荷平衡的原理，我们有：从上式可得：式中Is由内部基准电压源供给的1.90V 参考电压和2管脚的外接电阻Rs 决定，Is=1.90/Rs，改变Rs 的值，可调节电路的转换增益。,t1=1.1Rt*Ct 输出频率fo与电压ui成正比，所以转换结果数据如表2.2所示：电压/V11.522.533.544.555.5频率/kHZ2.082.843.64.45.135.886.677.418.28.93表2.2 压频转换系统转换结果

25、由上述表可知此方法在整个工作温度范围内和较低电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽；线性度好，最大非线性失真小于0.01% ，工作频率很低时仍有较好的线性；变换精度高；第3章 方案比较确定方案确定依据：我们希望能采用一种精度高，稳定性能好，可适用的环境广，且价格便宜的电压/频率转换电路。通过研究发现，频率的产生一般是需要一个振荡电路来实现，这让我们想到通过555定时器。555定时器芯片具有价格便宜，所产生振荡信号的幅度、频率都相当的稳定。使用555定时器来实现电压/频率转换最大的优点就是电路组合方式多样，可适用于不同的电压值的频率转换。同时为了提高转换的精度和减小电路受温度的影响，我

26、们还在电压信号的输入端加入了运放，以阻止温漂。本电路还有一个优点就是提供了稳定的工作电压源，是电路的工作电压始终保持在+9V。因为此电路采用了555定时器，使得电路的抗干扰能力增强，向外辐射减小，以下便是对此种方法的详细介绍。在文件综述里，已经介绍过了本设计采用的核心元器件是555定时器，利用的就是555定时器能产生振荡。在我们实际的应用过程当中，利用555定时器来实现电压频率转换的电路比较多，不同的电路形式所适用的环境不同。我们所设计的电路结合了以上电路的优点，在成本增加不是很高的情况下（增加了一块LM324芯片），使得适用的范围增广，所能适应的环境温度可以由0OC60OC。而且采用高性能的

27、555定时器和LM324芯片能使使用范围更加广泛。由于此电路的振荡部分是由555定时器完成，因此电路本身向外的辐射很小，再加上电路本身的滤波措施，使电路抗干扰能力增强。为了能使电路设计达到预期的效果，第一：必须选用适当的元器件；第二：时刻围绕着设计要求；第三：要采取科学的测量方法和使用测量精度较高的仪器、仪表。这是设计能否达到预期效果的关键两点，也是设计过程当中很难达到的，特别是第三点。第4章 工作原理4.1元器件介绍为了达到线性度好、精度高的目的，除了要设计好电路外，对于元器件的选用也是很重要的。由之前的分析，本设计所需要的元器件主要有：NE555定时芯片一块；LM324运算放大器芯片一块；

28、9013型三极管两个（NPN型）；9015型三级管两个（PNP型）；电感线圈；电容、电阻若干；2DW23型稳压管一个。下面介绍下主要元器件：4.1.1 555定时器555 定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5k的电阻而得名。此电路后来竟风靡世界。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS

29、 或者模拟电路电平兼容；是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555集成定时器由五部分构成：分压器、比较器、基本RS触发器、晶体管开关和输出缓冲器。(1)分压器：有三个阻值为5K的店主串联起来构成分压器，为比较器提供两个参考电压。比较器C1的同向输入端U+=（2/3）Vcc，比较器C2的反向输入端U-=（1/3）Vcc。CO端为外加电压控制端。通过该端的外加电压Vco可改变C1、C2的参考电压。工作中不适用CO端时，一般CO端都通过一个0.01uF的电容接地，以旁路高频干扰。(2)比较器：555有两个完全相同的高精度电压比较器C1和C2。当U+U-时，比较器输出高电平（uo=Vcc）；当

30、U+U-时，比较器输出低电平（uo=0）。比较器的输入端基本上不向外电路索取电流，其输入电阻可视为无穷大。(3)基本RS触发器：由两个与非门G1、G2组成基本RS触发器。两个比较器的输出信号uo1和uo2决定触发器的输出端状态。基本RS触发器有置0（复位），置1（置位）和保持三种逻辑功能。电压比较器A1的输出信号作为基本RS触发器的复位控制信号，电压比较器A2的输出信号作为基本RS触发器的置位控制信号。(4)晶体管开关：晶体管开关实际是一个共射极接法的双极型三极管开关电路，其工作状态由基本RS触发器的端控制，集电极引出集成块外部，外接RC充放电电路或电平转移电路等，通常，把引出集成块外部的集电

31、极端（D）称为放电端。当基极为低电平时，V管截止；当基极为高电平时，V管饱和导通，起到开关的作用。图3.1 555定时器内部结构(5)输出缓冲器。由非门G4组成，用于增大对负载的驱动能力，并隔离负载对555集成电路的影响。如图3.1为555定时器的内部结构图。 555引脚功能：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。 2脚：低触发端 3脚：输出端Vo 4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。 5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F

32、电容接地，以防引入干扰。 6脚：TH高触发端7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。555工作过程：1、当6脚的电位高于基准比较电压V1当6脚（TH端）的输入电压大于基准比较电压时，电压比较器A1输出低电平。如果2脚的输入信号电压大于基准比较电压，则电压比较器C2输出高电平。这时基本RS触发器置0（复位），时基集成电路输出低电平，三极管开关处于导通状态。如果2脚的输入信号电压小于基准比较电压，则电压比较器C2输出低电平。这时，时基集成电路仍然输出低电平

33、，三极管开关仍处于导通状态。2、当6脚的电位低于基准比较电压V1当6脚（TH端）的输入电压小于基准比较电压时，电压比较器A1输出高电平。如果2脚的输入信号电压大于基准比较电压，则电压比较器C2输出高电平。这时，基本RS触发器的工作状态不变，时基集成电路的输出状态和三极管开关的工作状态保持不变。如果2脚的输入信号电压小于基准比较电压，则电压比较器C2输出低电平。这时，基本RS触发器置1，时基继承电路输出高电平，三极管开关仍处于截止状态。3、直接复位直接复位端（R）输入低电平控制信号时，无论高触发端6脚和低触发端2脚的输入信号状态如何，基本RS触发器输出端输出高电平，时基集成电路输出低电平，三极管

34、开关处于导通状态。如图3.2为555定时器的功能表图3.2 555功能表不同的555定时器有不同的电器特性。一般民用采用的都是NE555。NE555作为RC振荡时间电路，具有较高的精度和稳定度。单稳定时初始精度在计算值的1%之内，电源电压变化引起的漂移和温度变化引起的漂移也较小。4.1.2 LM324运算放大器LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必

35、要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。如图3.3为LM324的管脚图：图3.3 LM324管脚图集成运算放大器的内部一般是多级直接耦合放大电路，他的输入级常常差动放大电路组成，因此一般具有两个输入端，一个输出端以及用以连接电源电压和外加校正环节的的引出端。为了表征集运放各方面性能，曾制定了二十多种技术指标，现在讲常用的并和这

36、次设计紧密相关的参数介绍以下。1、环差模电压增益Aod这是指运放在没有外加反馈情况下的直流差模增益。它是决定精度的重要因素。理想的运算放大器的其Aod应为无穷大，实际上可以理解为差动放大的两个输入电压只要有极微小的差别，就可以使输出电压有较大的变化幅度。对于LM324，其开环电压增益可以达到25-100V/mV。也就是只要0.1V的电压波动，那么输出电压的波动范围就是10V，是相当大的。2、输入失调电压Vos它的定义是，为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压。它的数值表征了输入级差分管失配的程度，在一定成下也反映了温漂的大小。对于LM324其输入失调电压为27mV。3、输入失调电压温漂

37、Vos这是指VOS在规定工作范围内的温度系数，是衡量一个运放的重要指标。对于LM324，其输入失调电压温漂为7.0V/0C。达到了本次设计所需要的标准。4、输入失调电流Ios这是用来表征差分对管输入电流不对称所造成的影响。对于LM324，其输入失调电流仅有5.0-50 nA。在这里提前讲一点，输入失调电压和电流是我们在这次设计当中重点需要克服的两个问题，因为它直接关系到了设计是否能达到预定精度。5、输入失调电流温漂其意义和输入失调电压温漂相同，只是对象为电流。高质量的LM324的为10pA/0C。6、输入偏置电流Ib这是衡量差分对管输入电流绝对值大小的标志，IB太大，不仅在不同信号内阻的情况下

38、，对静态工作点有较大的影响，而且也要影响温漂和运算精度。对于LM324的输入偏置电流为-90到-250nA。7、最大共模输入电压VICmax集成运放在工作时，常遇到既有差模输入又有共模输入的情况。如果共模电压超过一定限度，将会使输入极工作不正常，因此要加以限制。LM324的共模输入电压从-0.3到32V8、最大差模输入电压VIDmax这是反相端和同相端之间所能承受的最大电压值。超过这个电压，输入级差分对管中的一个管子将会出现反向击穿的现象。LM324的最大差模输入电压可以达到32V。图3.4 LM324原理图如图3.4为LM324的工作原理图，LM324系列采用两个内部补偿、二级运算放大器。每

39、个运放的第一级由输入缓冲晶体管Q21和Q17的差动输入器件Q20和Q18，以及差动单端转换器Q3和Q4。第一级不仅完成第一级增益的功能，而且要完成电平移动和减小跨导的功能。由于跨导的减小，仅需要用一个很小的补偿电容（仅0.5pF），从而就可以减小芯片的尺寸。跨导的减小可由将Q20和Q18的集电极分离而实现。该输入级的另一个特征是，在单电源工作模式下，输入共模范围包含负输入和地，无论是输入器件或者差动到单端变换器都不会饱和。第二级含标准电流源负载放大器。每个放大器都有内部电压稳压器提供偏置，稳压器的温度系数低，因此每个放大器就拥有良好的温度特性以及优异的电源抑制表3.1为LM324一些基本的工作

40、参数。 表3.1 LM324工作参数额定值LM324单位电源电压32Vdc输入差动电压范围32Vdc输入共模电压范围-0.3到32VVdc输出短路持续时间连续结温1500C保存温度-65到1500C工作温度-25到+850C输入失调电压2-7mV输入失调电流5.0-50nA输入偏置电流-90到250nA大信号开环电压增益25-100V/mV第5章 工作原理如图5.1所示，为实际电压/频率转换原理图。首先根据此图我们可以把它按照功能分为五个模块。第一：稳定电压源模块；第二：信号输入模块；第三：恒流源模块；第四：输入信号变换模块；第五：以555定时器为核心的压频转换模块。现在逐次分析各个模块的功能

41、。图5.1电压/频率转换器工作原理图5.1 稳定电压源模块因为当555定时器的工作电压发生变化时，会引起1%/V的漂移。而我们需要该设计的漂移误差只能达到0.01%。因此必须给555定时器一个稳定的工作电压。既需要设计此稳定电压模块。图5.2为本次采用稳定电压源的原理图。输入电压的变化范围可以在+9.518V，而输出电压可以恒定在9V。基本工作原理是：当输入电压变大时，因运放A3的反相输入端的电压被固定在了6.225V，所以A3输出端的电压必然升高，使得VT3的基极电压降低，从而VT3的集电极电流也变小，即VT4的基极电流变小。由于三极管的特性，那么VT4集电极和发射极之间的电压升高，根据基尔

42、霍夫的KVL定律，稳压模块输出端的电压就相应降低。这样就形成了一个动态平衡的过程，使得输出端的电压固定在了9V。关键的元件就是运放器A3，它和其他元件共同构成了一个负反馈的电路。同时为了防止供电电源电压的波动，我们在输入端接上电容C11，当电压波动是，能过滤掉高次的斜波分量。为了能观察稳压供电模块是否能工作正常，特地加上两个发光二极管，以此反映正常与否。同时这两个发光二极管也把VT3基极的电位固定在了1.5V左右，有钳位的作用。 图 5.2 稳定电源模块5.2 信号输入模块这个模块是用一个运放组A1成了一个射极跟随器。这样做的目的是为了不让高频信号反过来影响输入信号，射极跟随器起到一个隔离的作

43、用。如图5.3为信号输入模块电路图。A4用于减小A1的温度漂移，由A1、A4组成了一个低温漂放大器（漂移就是指输入失调电压随温度的变化）。当温度降低或者升高的时候，A1，A4的输出电压必然有波动，即升高或者降低。如果是升高的话，那么A4（A3）的输出端的电压也会升高，也就是A3的反相端电压升高，这样A3输入端正相和反相端的电势差降低，因此A3输出端的电压就降低了。也是形成了一个负反馈。根据前面对LM324的介绍我们可以了解到，因为LM324存在输入失调电压和输入失调电流，所以当你输入100mV的信号电压时，在R1两端的电压值可能会是102到105mV之间的一个数，我们知道流过R1上电流的大小是

44、电容C1放电电流，也就是说如果这里存在误差的话，那么在NE555输出端的频率也肯定会发生偏差，因此为了克服这个缺点我们在的加入了R6、R7、R8和RP1组成的偏置电路来克服失调电压和电流。图5.3 信号输入模块5.3 恒流源模块此模块是为了给C1提供恒定的充电电流。从555定时器Cvolt引脚输出的电压为Vcc*2/3，且恒定不变。然后也通过一个设计跟随器，同样是为了起到隔离的作用。所以此时VT2的C极电位近似为1/3。而R2、VT2、A2、VD1和C1等组成一个恒流源，C1的充电电流为。5.4 输入信号变换模块A1与VT1、R1组成电压电流的变换器，它把输入电压变换成与其成比例的C1放电电流

45、。输入信号的电压幅值（200mV）大，则VT1的导通性能好，C1上的电荷放得快，那。5.5 555定时器为核心的压频转换模块在C1充电期间，3脚呈高电平，VD2截止。当C2通过R4充电高于时，定时器555复位，暂稳态结束。设暂稳宽度，即脉冲宽度为，C1的放电时间为t，则有：，因而，由此可推出：，可见脉冲频率f与输入信号的幅值成正比，从而实现了电压频率的线性转换。5.6 实验数据分析本次设计所需要达到的目的总结起来主要有三个，第一个是实现电压频率的转换；第二个是要呈线性状态；第三个是精度要求要高。第一点，比较容易实现，电路装好后，只要前面所讲的起振条件即可。对于第二、三点，通过测得的实验数据分析

46、来看，基本已达到预定要求。为保证实验数据的有效，我们对每组数据均采样10次，数据结果如表4所示。表4 实验测试数据输入电压输出频率2mV0.2HZ19.98mV1.98KHZ40.10mV2.0KHZ60.08mV3.11KHZ80.30mV4.01KHZ100.02mV5KHZ121.12mV5.92KHZ140.50mV7.32KHZ160.00mV8.13KHZ181.00mV9.00KHZ200.01mV10KHZ图5.4 实验结果曲线以上所测数据是在温度为25OC时所测得的数据，大家可以从表4或者曲线图5.4上看到，随这输入电压的线性增加，输出频率也是呈线性增加的，这说明了在温度恒定

47、的情况下，输入电压和输出电压之间是呈线性关系的。因为本电路的温漂要求是，因此我们还测量了在不同的温度下，输入电压和输出频率的关系，总共测了3组数据如表5所示。（电压单位均为mV,频率单位均为KHZ）表5 不同温度下的测试结果TA=10OCTA=30OCTA=50OC输入电压输出频率输入电压输出频率输入电压输出频率20.111.990.102.020.1119.980.919.880.8220.10.8240.12.0841.12.1639.972.1660.083.0360.283.1860.082.9580.34.0980.134.0980.73.86100.024.77100.024.92

48、100.324.77121.126.07121.126.07121.026.07140.57.17140.77.09140.06.861607.98160.28.06159.917.911819.081828.93180.18.78200.0110200.0010.08199.899.93从上面的表可以看出来，随着温度的上升，其输出端的频率变化并不明显，完全满足设计要求。从以上的数据来看，不管时在温度恒定，还是在温度变化的情况下，该电路均能保持高精度、高线性的电压/频率转换。5.7 实验仿真设计过程当中我们采用了ELECTRONICS WORKBENCH（虚拟电子工作平台）这个软件。采用软件模

49、拟得到的参数比实际测得的参数精度要高。比如采用模拟电压表测电压，精确度可以达到小数点后面5位，比我们平时用的数字万用表的精确度都要高。ELECTRONICS WORKBENCH这个软件它的特点是：功能齐全，实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以做各种类型的实验；可方便地对电路进行分析；利用打印机还可直接打印出实验数据、测试曲线和电路原理图；实验不消耗器材，实验所需要器材种类和数量不受限制，实验成本相当的低；实验速度快，效率高。更主要的是在本软件中使用的各种元器件的参数设置都是根据实际情况来设置的。有已经存在里面的元件可以供人调用。如果所用元件类型没有现成的，可以根据该元件的电器特性来设置，这样

50、和真实的元件的特性是一样。特别对与这个设计它需要考虑到温度漂移的情况，在本软件里面同样可以模拟环境温度来观察漂移情况，这样做比在实验市里用电路升高温度，然后测量参数要方便得多。图5.1是用电子工作平台画的原理图，图5.2为测得的部分波形。图5.1仿真原理图图5.2上面的波形是NE555输出端波形；下面的波形是NE555输入端波形；第6章 总结这个毕业设计让我受益匪浅，让我学习了很多以前并不明白的知识譬如一些芯片如555定时器以及电源稳压电路的详细研究；并且此次的毕业设计锻炼了我，让我的综合应用能力也有了很大的提高。首先，需要寻找有关的资料和课题并且研究设计方案，进行设计的总体规划，理清课程设计

51、的思路，要注意在设计过程中边设计，变排查是否错误，及时补充不足，改正错误之处。其次，运用所学的知识对设计方案分析，在得到最后最理想的设计方案后，开始进行实验。对于本设计对电路的分析知识的掌握是至关重要的关键所在。最后，进入到调试仿真阶段，对电路的分析加上适当的选用仿真软件，以及对设计要求的把握都是主要的问题。通过这次毕业设计，让我充分了解到了电压转换器的广泛用涂，锻炼了我自学和查阅资料及解决问题的能力，以及如何把四年所学的专业知识系统的连贯起来，自己运用所学的知识，发现、提出、分析、解决实际问题，锻炼了我的实践能力。在设计中总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题时，需要大量的时间，作很多工

52、作才能解决。为以后工作增强了信心。在此次的毕业设计中，我总结了几点问题：1.设计的方向：拿到毕业设计题目的时候要尽快的把自己的设计安排和思路整理出来，要按部就班的，一步步来，先把握好整体，再研究细节。随时注意设计的方向，才不会偏离课题。2.设计的问题：有问题要多向老师和其他同学请教，不能自己闷头做，甚至于可能方向偏了都不知道，多把自己的想法和思路告诉老师。3.知识的学习：资料和毕业设计中相关知识的学习，要有针对性，最好是边做变学，有针对性的整理和学习，这样才能提高效率。还有设计前对知识和资料的整理准备也很重要。4.设计的心态：不要遇到问题和困难就停止不前了，不要气馁，在做这个毕业设计的时候总感

53、觉到一句话山重水复疑无路，柳暗花明又一村。只要坚持，总能找到解决的办法。要实事求是，不要浮夸，要知道自己做的是什么，自己到底想做什么。谢辞一转眼大学四年就接近尾声了，我想借此论文的机会，表达我对母校湘潭大学，我的父母、亲人，老师，同学的感谢。首先我要感谢我的指导老师鲁光德老师。通过鲁老师的悉心指导和严格要求下完成的，从选题到设计中的指导，才使得我的毕业设计顺利的完成。尤其在设计任务完成的过程中，遇到了很多问题，是鲁老师无微不至的关怀，让我克服了重重困难，最终完成了设计。鲁老师还努力的教导了我培养分析问题和解决问题的能力。教了我很多人生的智慧，让我受益良多。他务实的工作作风和积极进取的人生精神也

54、对我产生了巨大的影响。我不仅在专业知识上获得了提高，在人生的道路上也得到了许多教诲。在以后的成功路上，我会永远记得鲁老师曾给予我的帮助，谢谢您。感谢湘潭大学对我四年的培养，四年的学习生活中，我丰富了自己的专业知识，加强了动手能力，树立了人生目标。我会牢记湘潭大学的校训博学笃行 盛德日新，努力为社会贡献力量。感谢四年来教过我的各位老师，他（她）们孜孜不倦的教诲不但让我学到了很多专业知识，而且让我掌握了学习的方法，更教会了我为人处事的道理。还要感谢四年来朝夕相处的同学们，是他们陪我渡过了人生最重要的时光，留下了美好的回忆。在这里我不能一一列举他们的名字，但在毕业设计过程中他们都给了我很大的帮助和真

55、诚的支持、鼓励。最后，感谢我的父母、亲人对我生活上的关怀和学业上的鼓励。感谢他们20年来的培育，虽然大学生活即将结束，但在以后的任何时候，你们殷切的目光都会更加坚定我前进的方参考文献1 曾新民, 曾天剑编 .运算放大器应用手册.电子工业出版社M , 19902 康华光编 .电子技术基础.高等教育出版社M，19993 张新昌编.集成运算放大器的应用.高等教育出版社M，19854 杨世成编.信号放大电路.电子工业出版社M，19855 江晓安编.数字电子技术.西安电子科技大学出版社M,20026 吴运昌编.模拟集成电路原理与应用.华南理工大学出版社M，20067 李哲英编.实用电子电路设计.电子工业出版社M，19958 徐开友编.低频电子线路.天津大学出版社M,2002