线性隔离放大器设计报告.doc

2023年湖北省大学生电子设计竞赛

线性隔离放大器（X题）
【本科组】

2023年7月1日

摘 要

该线性隔离放大器重要由压频转换模块，频压转换模块，光耦隔离模块以及电源模块组成。压频转换模块采用电荷平衡式压频转换电路，电荷平衡式压频转换电路由积分器、滞回比较器组成。此电路经调理后可以实现10V输入，2KHz到35KHz方波输出。频压转换模块由微分器、单稳态电路和低通滤波电路构成，可实现90KHz以内方波输入及相应直流电压输出。压频转换模块和频压转换模块通过开关型耦合器连接。整个系统具有良好的线性度，满足基础部分规定和部分发挥部分规定。
关键词：压频转换 频压转换 光电耦合

一、系统方案
该题目规定设计基于压频和频压转换的线性隔离放大器，按题目规定该系统共分三个模块：压频转换、光电耦合、频压转换。系统重点在于压频与频压模块的设计，题目规定不能使用专用压频与频压转换IC。
1.1 压频转换方案的设计与论证
方案一：采用由积分器、单限比较器和模拟开关组成的复位式压频转换电路，压频转换线性度较差，达不到题目规定误差范围。
方案二：采用积分电路加滞回比较电路和恒流源构成的电荷平衡式压频转换电路，电路简朴，满刻度输出频率高，线性误差小，精度高。
方案三：采用积分电路加单稳态电路构成的压频转换电路，虽然电路简朴，但电压频率转换的精度随频率的增长而减少。
比较上述三种方案，故采用方案二。
1.2 频压转换方案的设计与论证
方案一： VFC32内部频压转换电路，电路结构复杂，难以搭建，并且单稳态电路的电阻和电容规定较严格，不好匹配。
方案二： LM331内部频压转换电路，相应电路的电阻和电容在使Vo与fi之间的关系保持精确、稳定的前提下需选用高精度、高稳定性的。
方案三：采用微分电路加单稳态电路和低通滤波电路构成的频压转换电路，电路结构简朴，频压转换精度较好，能满足题目规定。
比较上述三种方案，故选用方案三。
二、 系统理论分析与计算
2.1 压频转换电路的分析与计算
电荷平衡式压频转换电路如图1所示，整体电路由积分电器和滞回比较器组成，当Ui<0时I的绝对值远远大于输入端电流，当uo为高电平时，开关S闭合，当uo为低电平时，开关S断开。S断开时，积分器开始对电容C1充电，当充到一定数值时，滞回比较器输出从低电平跃变为高电平使S闭合，积分器对恒流源电流I与输入电流i的差值积分，且I与i的差值近似为I，积分器输出端电压随时间下降；由于I的绝对值远远大于i，所以积分器输出电压下降速度远大于其上什速度；当积分器输出减小到一定数值时，uo从高电平跃变为低电平，回到初态，电路反复上述过程，产生自激振荡。上升时间T2»T1（下降时间）。图一中滞回比较器的阈值电压为Ut=R2/R3*Uz.T2同时也满足Ut=-*UiT2-Ut.解得T2=，由于T2»T1，故
图1电荷平衡式压频转换电路
2.2 频压转换电路的分析与计算

频压转换电路由微分器使得输入方波产生负脉冲信号，去触发555单稳态电路，匹配555单稳态的电阻与电容使得其输出高电平时间小于压频转换最大频率的输入方波高电平时间。这样保证在整体输入频率范围内都能正常触发单稳态触发器。最后经低通滤波滤出直流分量。
三、 电路的设计
3.1 系统总体框图
图太模糊了

图2系统总体框图
如图2所示直流信号一方面通过前端解决使得输入10v直流电压通过衰减后再进行偏置，使其满足压频转换电路的0到-10v的输入规定，输出方波通过光耦传输给频压转换电路，再经后级信号解决电路放大偏置得到相应10v直流电压。
3.2 压频转换电路的设计

图3 压频转换电路
由于使用的是电荷平衡式电压-频率转换电路，积分器由运放LF353加外部元器件组成，滞回比较器由LM311外加电阻构成，电子开关则由三极管充当，而恒流源则是由电源线接电阻组成。末级增长三极管T3，以稳定输出电压，而T2则是构成逻辑所需的反相器。转换公式为。
3.3 频压转换电路的设计

图4 频压转换电路
输入方波在通过三极管构成的微分电路后，得到负向的脉冲信号去触发555单稳态触发器。555触发器高电平时间由电阻R1与电容C1决定，不同频率输入脉冲相应产生不同频率的方波，但高电平连续时间相同的方波。低通滤波由无源器件RC搭建的二阶低通滤波。转换公式为。
3.4 光耦电路
按题目规定采用开关型光电耦合器，所以我们组选用ISO7420这款双隔离通道芯片。ISO7420具有低功耗，低传播延迟，快速响应，高隔离阻抗等特性能满足题目规定。
四、测试方案与测试结果
4.1 测试所用仪器即测量工具
60M双通道示波器：DS1062E-EDU
25M双通道函数/任意波形发生器： RIGOL DG1022U
数字万用表
4.2 测试结果
（1） 单独测试电压频率转换器的输出频率与输入电压的线性度测试如表1所示
表1
输入电压值（V）
10
7
5
3
1
-1
-4
-7
-10
标准值（kHz）
36.229
31.117
27.709
24.301
20.893
17.485
12.373
7.261
2.149
实际值（kHz）
34.48
29.76
26.88
23.58
20.49
17.36
12.38
7.353
2.242
误差
4.8
4.4
3.0
3.0
1.9
0.7
0.06
1.3
4.3
（2）单独测试频率电压转换器的输入频率与输出电压的线性度测试如表2所示
表2
输入频率（kHz）
35
27
21
19
17
11
7
3
1
标准值（v）
9.899
4.95
1.233
0.005
-1.243
-4.97
-7.433
-9.909
-11.147
实测值（v）
9.83
4.94
1.25
0.015
-1.223
-4.96
-7.47
-10.01
-11.28
误差
0.7
0.02
0.8
200
1.6
0.02
0.5
1
1.2
（3） 系统整体输入电压与输出电压的测量如表3所示
表3
输入电压值（v）
10
7
5
3
1
-1
-4
-7
-10
输出电压值（v）
9.65
6.87
4.97
3.01
1.06
-0.94
-4.02
-7.22
-10.29
误差（mv）
350
130
30
10
60
60
20
220
290
4.3 测试分析与结论
根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：
1、压频转换器的输入电压与输出频率线性度良好，误差在5%以内，符合题目规定。
2、频压转换器的输入频率与输出电压除了错别字
零点外，其余误差范围都在5%以内，且可以驱动100Ω负载。
3、频压转换器的输出纹波小于50mV，整体电压输入与输出电压之间误差在输入6v时满足误差小于100mV的规定。
4 、输入电压频率范围DC~5Hz时，整体电压增益0dB(-/+0.5dB)。
综上所述，本设计基本达成基础部分规定，部分满足发挥部分规定。

附图：