模电课设---FV转换电路设计与实现

模电课程设计

姓名:XXX

班级:电气XXXX班学号:XXXXXXXXX 东华大学10级课题

第一部分自制直流电源：AC220V DC±12V

1—5页……………………………………………………………………………………………………………………….

第二部分线性FV转换电路的设计与实现

第一章设计背景与要求………………………………………………………………………………………….. 设计要求……………………………………………………………………………………………………………………第二章系统概述……………………………………………………………………………………………………...

2.1 设计思想与方案选择………………………………………………………………………………………….

2.2 各功能块的组成………………………………………………………………………………………………….

2.3 工作原理…………………………………………………………………………………………………………….. 第三章单元电路设计与分析…………………………………………………………………………………..

3.1 各单元电路的选择……………………………………………………………………………………………..

3.2 设计及工作原理分析…………………………………………………………………………………………. 第四章电路的组够与调试……………………………………………………………………………………….

4.1 遇到的主要问题………………………………………………………………………………………………...

4.2 现象记录及原因分析………………………………………………………………………………………...

4.3 解决措施及效果…………………………………………………………………………………………………

4.4 功能的测试方法、步骤……………………..………………………………………………………………第五章结束语………………………………………………………………………………………………………….

5.1 对设计题目的结论性意见及进一步改进的意向说明……………………………………….

5.2 总结设计的收获与体会…………………………………………………………………………………….. 第六章仪器、仪表、元器件介绍…………………………………………………………………………

附图（电路总图及各个模块详图）……………………………………………………………………….. 参考文献……………………………………………………………………………………………………………………

第一部分自制直流电源：AC220V→DC±12V

一、设计背景：

直流稳压电源广泛应用于各种电子产品,不同的电路对电源的要求是不同的。在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不变的电源。电子设备中的电源一般由交流电网提供，再经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。本设计的主要内容是围绕着如何使串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。首先介绍了稳压电源的设计方法，接着介绍了电容滤波电路的性能特点，然后介绍了各单元电路设计仿真，并在电路中采用了提高稳定度，提高温度稳定性及限流型过流保护电路的具体措施，以确保电路安全稳定的工作。

二、设计要求：设计直流电源：AC220V→DC±12V。

三、设计原理：

直流电源的基本组成

①变压器：

将220V的电网电压转化成所需要的交流电压。

②整流电路：

利用二极管的单向导电性，将正负交替的交流电压变换成单一方向的直流脉动电压。

整流电路的任务是将交流电变换为直流电。完成这一任务主要是靠二极管的

单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。管D

1～D

4

接成电桥的形

式，故有桥式整流电路之称。

整流后波形：

由上面的电路图，可以得出输出电压平均值：

2

)(9.0U U AV o ≈，由此可以得

V U 152=即可

选择整流器的原则：流过二极管的的平均电流:ID=1/2*IL ，在此实验设计中IL 的大小大约为1A ，反向电压的最大值：Urm=2U2。选择二极管时为了安全起见，选择二极管的最大整流电路IDF 应大于流过二极管的平均电流ID 即0.5A ，二极管的反向峰值电压Urm 应大于电路中实际承受最大反向电压的一倍。实验中我们采用的是1B4B42封装好的单相桥式电路。

③滤波电路：

将脉动电压中的文波成分滤掉，使输出为比较平滑的直流电压。交流电经整流电路后可变为脉动直流电，但其中含有较大的交流分量，为使设备上用纯净的交流电，还必须用滤波电路滤除脉动电压中的交流成分。常见的滤波电路有：电容滤波电路、电感滤波电路、电感电容滤波电路以及∏型滤波电路。在此电路中，由于电容滤波电路电路较为简单、且能得到较好的效果，故选用此电路。滤波电容一般选几十至几千微法的电解电容， 由于2)

5~3(T

C R l = ，故选4200uF/25V

的电解电容。 滤波电路如下图所示：

输出直流电压UL 与U2的关系：UL= (1.1～1.2)U2 变压器副边电流有效值： I2=（1.5~2）IL ④稳压电路：使输出的电压保持稳定。

四、参数计算：

1）整流电路参数：

输出电压平均值：

2

2

2)(09.022)(sin 221U U wt td U U AV ≈=

=

?

π

ωπ

π

输出电流平均值：

L L

AV AV R U R U I 2)(0)(09.0≈

=

平均整流电流：

L L

AV AV AV D R U R U I I 2)(0)(0)(45

.022

≈=

=

最大反向电压：22U U RM =

整流二极管的选择（考虑电网10±%波动）：????

?

>>2221.11.145

.0U

U R U I R

L F

2）滤波电路参数

二极管导通角θ：

滤波电容的选择：

2)(02.1,2)

5~3(U U T

C R AV L ≈=

一般选择几十至几千微法的电解电容，耐压值应大于2256.121.1U U =。 3）实际计算过程

（1）要使W7812正常工作，必须保证输入与输出之间维持大于2V 的压降，因此W7812输入端直流电压必须保证在14V 以上。W7812输入端的电流是许对变压器副边输出电压U 2(t)整流、滤波后得到的。假设整流电路内阻为0，负载电流为0，W7812输入端有最大电压U=1.414U ef ，U ef 是U 2(t)的有效值。由于滤波电容不可能无限大，所以U<1.414 U ef ,根据经验可知U=1.2 U ef ，得U ef =14.4V ，考虑到整流桥经过两个二极管约有1.4V 的压降，得变压器可取15V 。

（2）变压器选择：变压器选择双15V 变压，考虑到电流不需要太大，最大电流为2A ，实际选择变压器输出功率为30W ，可以很好地满足要求。

（3）整流桥：考虑到电路中会出现冲击电流，整流桥的额定电流时工作电流的2~3倍。选取RS301（100V,3A ）即可，实际购买过程中选择了2W10也符合设计要求。

（4）滤波电路：考虑到对纹波电压要求比较高，所以选择了2200uF 、耐压值为25V 的电解电容。

（5）去耦电容：去耦电容的选择是由W7812和W7912芯片要求的，查手册可知分别为0.1uF 和0.33uF ，用来滤除高频分量，防止产生自激。

（6）为了防止负载产生冲击电流，故在输出端加入220uF 、耐压值为25V 的电解电容。

（7）W7912支路的原件参数与W7812支路相同。

（8）为防止电源输出端短路，需安装保险管；为防止W7812和W7912因过热而烧坏，需加装散热片。

至此，所有元件的参数都已确定。

五、电路总图：

仿真软件Multisim10 仿真的电路图：

用波特图仪仿真后的波形：

由上图可知，设计成功。

六、设计总结：

此次设计最具挑战的难题就是仿真软件不会用。之所以会选用Multisim10软件，是参考了网上的几份关于设计直流电源的文献和实验报告，但问题是从来没有学习过这款软件，而用EWB软件又找不到某些重要器件，所以为了完成对已经设计好的电路的验证、调试及仿真，又在图书馆找到Multisim10软件的相关教程作为辅助工具才完成的这次设计。通过这次设计，我不仅对学过的模电知识有了更生的掌握和更切身实际的运用，还学习了Multisim10软件的相关知识，可谓是一举两得。

第二部分线性FV转换电路的设计与实现

第一章设计背景与要求

设计背景：

电路中常存在标准电压信号与标准频率信号之间的转换，电压（V）转换成频率（F）的过程称为电压/频率转换（VFC），频率转换成电压的过程称为频率/电压转换（FVC）。VFC的方法较多，转换也比较方便，人们对此较为熟悉；而FVC 则相对困难一些。一般来说，FVC电路是指频率较低而变换线性要求较高的FVC，并且要求电路频相特性动态范围宽，变换精度较高以及电路不复杂。

线性F/V转换电路常应用于涡轮流量计、脉冲式转速表等中。

设计要求：

①输入信号：峰峰值为20mV、0—10kHz正弦交流信号；

②输出信号：电压在0—10V间线性变化的直流电压信号；

③1kHz、5kHz、10kHz三个频率点处F/V最大转换误差为千分之一；

④1kHz处纹波噪声小于50mV；

⑤单稳态正脉冲的脉宽tw在20μs ~40μs之间。

第二章系统概述

设计思想：

由于输入信号幅度较小，因此需要先将信号放大，然后将放大后的信号通过与二极管并联，滤去低于0v的电压，经由555触发器，变为矩形波，经过积分电路和单稳触发器，形成单稳态脉冲，再通过滤波电路，得到直流电压。但由于会有干扰信号输入，所以，我们选择了差分放大电路，抑制共模信号，这样可以较好地消除输入信号中的干扰。

设计方案：

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过零比较器或555定时器构成的施密特电路将正弦波转换为矩形波信号；

③RC微分电路+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；

④555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。

各功能模块的组成及原理：

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，正弦交流信号。

②放大电路

放大电路由集成运放器构成差分放大电路和比例放大电路。目的是将输入20mVpp、0-10kHz正弦交流信号进行放大，满足后级电路输入要求。

差分放大电路可以有效抑制共模干扰信号，并且将输入信号放大，以便触发后面电路中的施密特触发器。由于输入信号的峰峰值为20mv，而施密特触发器的触发电压为8~12V（后面会介绍555定时器），所以由

可得到仪表放大器放大倍数最小值为

。但是如若降低仪表放大器的放大倍数，降低波形失真的可能

性，则可改变U+和U-的值，如下图所示，则此时，仪表放大器放大倍数

Av=4V/10mV=400以及Av=6V/10mV=600。综上所述，放电电路的放大倍数Av应该在400倍~600倍之间。

③零比较器

将二极管负端与放大后信号相接，正端接地，这样可以使通过的信号滤去幅值为负的信号。

ui>0,二极管导通,uo=0；ui<0,二极管截止,uo=+Uo (sat)

工作条件：运放工作在开环状态或引入正反馈（饱和区）

理想运放工作在饱和区的特点：

电压传输特性：

当u+>u–时，uo=+Uo(sat)；u+

输出只有两种可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)

④施密特触发器（555）

目的是将前级正弦信号整形为矩形波信号，为产生下跳变窄脉冲做准备。施密特触发器的输入电压要求为2/3Vcc

555定时器结构：1）分压器：由三个等值电阻构成；2）比较器：由电压比较器C1和C2构成；3）R-S触发器；4）放电开关管T。

555定时器的具体结构如下图所示：

555定时器的芯片引脚图如下图所示：

555定时器构成的施密特电路：

触发条件：

⑤微分电路：

由RC构成的微分电路目的是将前级的矩形波信号转换为下跳变窄脉冲，触发后级电路。同时，为了得到触发窄脉冲，可在RC微分电路后面增加三极管构成的反相器。

⑥单稳态触发器

该单稳态触发器是由施密特触发器（即555）构成，目的是在下跳变窄脉冲作用下得到宽度一定的正脉冲。

其原理图及波形图如下：

R：几百Ω——几兆Ω；C：几百pf——几百uf；tw：20——40us

若想使输出信号更稳定，则可在外围电路中加入稳压措施，如PNP三极管。

⑦滤波电路

二阶RC低通滤波器电路的目的是滤除高频分量，获得直流信号。其原理图如下：

若想降低输出信号的纹波噪声，则可改变电阻的取值，即改变时间常数。tw=RC。

⑧同相比例运算电路

目的是放大直流电压信号。原理图如下：

为了使输入信号频率为0-10kHz时，输出电压为0-10V，则要在第五级输出端接分压电路。

第三章单元电路设计与分析

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，波形如图所示：

2）放大电路：仿真电路图如下：

输出波形如图所示：（放大后的峰峰值为8.4808V）

具体计算：

此模块的原理图如下：

由上图可得：

Av=Av1*Av2

在我的仿真电路中：R0=9.1K，R1=24K，R2=1K，R3=68K；所以Av=426.68。3）波形转换电路：

具体方针电路图如下：

仿真波形如下图：

其中：2千欧的电阻与二极管组成的模块的作用是滤除负极性信号；

588欧的电阻的计算公式为：。

4）微分电路

仿真电路如下：

仿真波形：（下跳变窄脉冲信号）

5）单稳态电路：

仿真电路图如下：

仿真波形如下图：脉宽tw=28.932us

单稳触发器是在输入信号激励下，产生脉冲宽度恒定的输出信号。555构成的单稳触发器，外部激励从出发端TRI(2脚)输入，阈值输入THR(6脚)和放电管的集电极开路输出端DIS(7脚)相连，并接到电容C即电阻R。Ui=V TRI , U C=V TRI=V DIS。

单稳的工作原理：

稳态时，Ui为高电平Vcc。Uc受放电管VT1控制。

如果555定时器输出高电平，VT1截止，电容充电将使Uc上升至Vref1,输出将变成低电平。所以稳态时输出的高电平不可能保持。

如果555定时器输出低电平，VT1导通，将Uc锁定在低电平0.3V，由于Ui 为高电平，该状态能保持。所以由555定时器构成的单稳触发器在稳定时输出

U0为低电平，电容电压Uc保持在0.3V左右。

当Ui输入负脉冲是时，TRI端电位低于Vref2;而Uc仍为低电平，THR端小于Vref1,555定时器输出高电平，单稳触发器被触发。U0=“1”，放电管VT1截止，电容开始充电，Uc开始上升，电路进入暂态。当Uc上升到Vref1时，有两种情况。

如果此时触发信号已无效，TRI电位（Ui）回到高电平Vcc(大于Vref2),555定时器就被自动复位，U0输出低电平，暂态过程结束。放电管同时导通，电容通过放电管迅速放电，Uc下降，单稳触发器回到稳态。

如果此时触发器输入信号仍无效，Ui保持低电平，将出现THR输入大于Vref，TRI输入小于Vref2的情况，此时555定时器的位置功能优先，输出U0保持高电平，电路不能回到稳态。直到Ui为高电平，555定时器才能被复位。这样输出信号的脉冲宽度就受输入信号宽度控制，与电路参数无关。

参数计算：

在不加PNP管的情况下有：

单稳电路输出的高电平宽度（暂态时间）由电容的充电时间常数和Vref1

决定。在单稳电路的暂态过渡过程中，电容充电的初始值为0V，始终为Vcc。但这个过程被终止在电容电压等于Vref1时。

Uc(0+)=0V；Uc(∞)=Vcc；Uc(Tpo)=Vref1；t=RC；Tpo=RClnVcc/(Vcc-Vref1)。

改变电容充电时间常数RC或555定时器的控制输入电平Vcon（控制Vref1）,都可以调节输出脉冲的宽度Tpo。若不控制Vcon,Vref1=2/3Vcc,则：

tw=RCln3≈1.1RC

而在加上PNP管的情况下：tw=U5*C/I,I=U（4.7k）/R（4.7k）

6）滤波电路：

滤波电路的作用在于能够把输入信号的交流部分滤除，留下直流部分。这里的R1阻值在100~200o电容的容值选择要偏大些。实际操作过程中对于输出波形的精度调节，可以通过改变滑动变阻器的阻值来调节。

仿真电路图如下：

仿真波形：

1KHz时的纹波噪声为3.4664mv 7）直流放大电路：

放大倍数Av=1+Rf/R=10，所以令Rf=9千欧，R=1千欧；

仿真波形如图所示：

第四章电路的组够与调试

遇到的主要问题：

（1）第一级的放大电路没有输出。检查电路的连接却没有发现错误，最后拆掉重新连接后却好了，分析可能是器件在面包板内部短路了。

（2）放大电路部分，放大后的波形出现失真波形。如图：

原因分析：运算放大器的静态工作点没有设好。解决办法：选择合适的电阻及静态工作点，消除失真。

（3）脉宽太大，完全不符合要求，经过分析，由tw=U5*C/i，i=U/R，减小R可以减小脉宽，于是将电阻换成更小阻值的，几经更改，脉宽终于达到了设计要求的标准，最后tw=28us。

（4）纹波噪声过大，经分析计算，多次调整滤波电路的电阻后1KHz时的纹波噪