压频转换实验电路的设计与仿真

2016-09-18 05:29曹莉凌刘雨青吴燕翔
实验科学与技术 2016年4期
关键词:触发器差分电路

曹莉凌,刘雨青,杨 琛,吴燕翔

(上海海洋大学 工程学院,上海 201306)



压频转换实验电路的设计与仿真

曹莉凌,刘雨青,杨琛,吴燕翔

(上海海洋大学工程学院,上海201306)

555定时器;压频转换;Multisim

压频转换是一项常用的信号处理与变换技术,可实现模拟量(电压)到数字量(频率)的线性转换,广泛应用于各领域[1-3],如无线电通信技术中的频率调制(FM)及压控振荡器(VCO),传感器技术中的模/数转换电路等。555定时器[4]是一种广泛应用于信号产生、变换、控制和检测领域的中规模集成电路[5-7]。以555定时器为核心、结合阻容元件构成的简单外围电路,可以设计出简单的单稳态、施密特触发器和多谐振荡器等。本文基于555单稳态触发器的应用设计了一种压频转换电路,基于Multisim软件[8]设计了该电路的仿真实验。

1 压频转换电路设计

本文设计的压频转换电路如图1所示。集成运算放大器LM324与R1、C1、R4、C4构成差分积分电路[9],555定时器与R2、C2形成单稳态触发器。

根据555定时器工作状态的分析可知,图1所示压频转换电路的工作状态如图2所示,在接入电源后,该电路进入初始工作状态,到达t3时刻后,电路将进入稳定状态工作。设555定时器输出的高、低电平分别为Uoh、Uol,且Ui

1)初始状态(t∈[0,t3])。

①t∈[0,t1)段:t=0时刻,电路接入电源,Utr

②t∈(t1,t2)段:随着C1、C4、C2充电,Utr、Uth电压增大,选择合适的电阻电容值控制充电速度,使得对C1、C4的充电至Utr≥VCC/3时,对C2充电产生的电压Uth≤2VCC/3,Uo=Uoh;

③t∈(t2,t2+ε)段:C1、C4、C2继续充电至Utr>VCC/3,Uth>2VCC/3时,Uo=Uol,此刻,电容C2与555定时器内部放电管形成放电回路,Uth快速降至0。

④t∈[t2+ε,t3]段,由于Uo=Uol,C1、C4缓慢放电,由于Uth=0<2VCC/3,虽然C1、C4放电,但Utr≥VCC/3时,Uo=Uol。

2)稳定状态(t∈(t3,))。

①t∈(t3,t3+ε)段:C1、C4继续放电至Utr

②t∈[t3+ε,t4]段:由于Uo=Uoh,C1、C4、C2开始充电,充电起始电压为Utr=VCC/3,Uth=0,该段充电过程中Utr≥VCC/3,Uth≤2VCC/3时,输出Uo=Uoh;

③t∈[t4,t4+ε]段:当电容充电使得Utr>VCC/3,Uth>2VCC/3时,Uo=Uol,此刻,电容C2与555定时器内部放电管形成放电回路,Uth快速降至0;

④t∈[t4+ε,t5]段:由于Uo=Uol,C1、C4缓慢放电,由于Uth=0<2VCC/3,虽然C1、C4放电,但Utr≥VCC/3时,Uo=Uol;

⑤t∈(t5,),电路重复出现以上稳定状态。

图1 压频转换电路

图2 压频转换电路波形图

根据以上分析可将该压频转换电路状态总结如表1所示。

表1 压频转换电路状态分析(注:ε为非常小的一段时间)

电路进入稳定状态时,先经过t1时间充电, 然后经过t2时间放电,此充放电过程周期性地交替进行,且周期T=t1+t2。分析555定时器与R2、C2形成的单稳态触发器,可得:

t1=1.1R2C2

(1)

分析集成运算放大器LM324与R1、C1、R4、C4构成的差分积分电路,可得:

(2)

(3)

R1=R4,C1=C4,U+=U-

(4)

由式(2)~式(4)得:

(5)

由U+=U-得:

(6)

1)该差分电路充电时,由三要素法得:

(7)

由电容电荷量公式得:

(8)

将式(4)、式(7)和(8)代入(6)得:

(9)

经过t1时间充电后,电压增量为:

(10)

2)该电路放电时,UC4(t1)为C4放电初始电压值,Q(t-t1)为放电t-t1时间释放的电荷量。

(11)

(12)

差分积分电路Utr经过t2时间放电后,电压差值为:

ΔUtr(t2)=ΔUC1(t2)+ΔUC4(t2)

(13)

ΔUC1(t2)=UC1(t1)-UC1(T)

“Oh, yes it does,” the waiter said, “You will stay here until your father comes back and pays his bill.”

(14)

(15)

由式(11)和式(13)~式(15)得:

(16)

根据前文分析,差分积分电路充放电升降压平衡,则有:

ΔUtr(t1)=ΔUtr(t2)

(17)

由式(1)、式(10)、式(16)和式(17)得:

(18)

本文中,Uoh=5 V,Uol=0,则:

(19)

由式(19)可知,该电路输入电压Ui与输出信号频率成正比,实现了压频的线性转换。

2 压频转换电路仿真

根据以上电路设计与分析,为验证电路正确性,合理设置电路各元件参数如图1所示,该电路将实现输入1V,输出100Hz的线性转换。根据设计要求及式(19)得,输入1V,T=10ms,则R2C2≈0.001 82,取C2=10μF,则R2=182Ω。

(a)1 V输入,输出T=19.233 4-9.252 8=9.980 6 ms

(b)2 V输入,输出T=9.610 4-4.613 3=4.997 1 ms图3 压频转换电路仿真结果

Ui/VT/msf/Hz转换精度误差/19.9806100.1940.191.28.2772120.81380.681.56.6669149.99480.0024.9971200.11610.062.53.9652252.19410.882.83.5686280.22190.0833.3105302.06920.693.23.1373318.7454-0.393.52.8233354.19541.2042.4658405.54791.39

图4 压频转换线性度

3 结束语

本文基于555定时器设计的压频转换电路简单,基于Multisim软件仿真的结果显示该电路设计正确、稳定,转换精度高,线性度高,且成本低,应用价值高。

[1]明尚志.电子秤称重传感器V/F转换电路的设计[J].电子测量技术,2007(3):175-177.

[2]穆辛,周新田,张慧慧,等.一种施密特触发器型压控振荡器的设计与仿真[J].电子科技,2014(4):58-59,63.

[3]亢彦军,宋光德.基于V/F转换的高精度模拟信号光纤传输系统[J].传感器与微系统,2007(6):67-69.

[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5]苏文平,薛永毅.基于NE555设计的脉冲信号发生器在实践教学的应用[J].实验技术与管理,2008(6):76-78.

[6]何子龙,李公羽,王建,等.最小光通信实验系统研制与应用[J].实验技术与管理,2012(7):64-65,76.

[7]徐志宇,胡明忠,丁晓炯,等.基于IntB4TJ工具箱的智能家居照度控制系统[J].实验室研究与探索,2014(4):87-91.

[8]王尔申,庞涛,李鹏,等.Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用[J].实验技术与管理,2013(3):78-81.

[9]华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

Design and Simulation of a Voltage-frequency-conversion Experiment Circuit

CAO Liling, LIU Yuqing, YANG Chen, WU Yanxiang

(Department of Engineering Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

555 timer; voltage-frequency-conversion; Multisim

2014-11-12;修改日期: 2016-04-13

2013上海高校实验技术队伍建设项目(B1-5407-13-0000-8)。

曹莉凌(1982-),女,硕士,工程师。主要从事电子设计自动化技术等方面的研究。

TN710

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.013

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