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1、课程设计(论文)说明书 设计课题： 电压/频率变换器 院 （系）： 电子工程与自动化 专 业： 测控技术与仪器 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 讲 师 2011年1月20日摘 要设计电压/频率变换电路，可以利用集成芯片LM331来实现。外部电压通过低通滤波输入芯片，在相应管脚接入充放电电路，在输出管脚便可输出合适的频率。LM331线性度较好，不需要运放便可以实现电压频率转换，而且变换精度高。关键词：LM331；线性；电压频率转换目 录引言11 设计任务及要求11.1 设计内容11.2 设计要求12 设计方案及方案确定12.1 设计方案12.1.1 两种方案的设计12.1.2 方案确
2、定12.4 系统框图设计22.5 总电路图及其工作原理33 理论值的计算33.1 元器件的选择与计算34 电路仿真44.1 仿真软件44.2 仿真结果44.2.1 仿真电路图设计44.2.2 仿真数据记录45 电路的调试65.1 调试使用的仪器65.2 数据记录65.3 遇到的主要问题65.4 原因分析及解决措施65.5 调试电路板及波形75.5.1 调试电路板75.5.2 调试波形76 总结86.1 心得与体会8谢 辞8参考文献8器件表8附图9原理图9PCB图1011引言在电压频率转换电路的设计中，对芯片LM331的应该是本电路设计的核心。通过对相关资料的查询与王老师的指导，我利用LM331
3、外接相关部分电路，设计了一个线性的电压/频率变换电路，输入经过低通滤波输送入芯片，在芯片外部还应接入充放电电路，用时间常数与芯片内部结构共同来控制电路工作。此电路满足设计指标要求，芯片的非线性失真小，并且转换精度高。1 设计任务及要求1.1 设计内容设计内容：线形电压/频率变换器1.2 设计要求1）要求将输入电压转换成一定频率的振荡电路；2）当输入信号电压在0V5V时，输出振荡的频率为10HZ10KHZ；3）给定元件：LM331、运放、电阻、电容。2 设计方案及方案确定2.1 设计方案2.1.1 两种方案的设计 方案一：利用积分电路和单稳态电路组合够成电压/频率变换器。原理框图如图1所示：电子
4、开关积分器单稳态触发器恒流源方案二：利用芯片LM331设计电压/频率转换器，输入电压通过滤波之后直接输入芯片，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。2.1.2 方案确定利用集成芯片LM331设计电压/频率变换电路所用元件较少，电路相对简单，而且转换精度高，所以采用LM331设计电压/频率变换电路此方案。2.2 芯片的介绍LM331是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。LM331为双列直插式8引脚芯片，其引脚框图如图2所示。输入比较器 Q定时比较器+-RS触发器精密电流电流开关基准电
5、路1235674VCC8图2 LM331内部结构电路LM331 各引脚功能说明:脚1为脉冲电流输出端,内部相当于脉冲恒流源,脉冲宽度与内部单稳态电路相同;脚2为输出端脉冲电流幅度调节,RS 越小,输出电流越大;脚3为脉冲电压输出端, OC 门结构,输出脉冲宽度及相位同单稳态,不用时可悬空或接地;脚4为地;脚5为单稳态外接定时时间常数RC ;脚6为单稳态触发脉冲输入端,低于脚7电压触发有效,要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw ;脚7为比较器基准电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低;脚8为电源Vcc , 正常工作电压范围为440V。线性度好, 最大非线性失真小于0. 01 % , 工
6、作频率低到0.1Hz 而且有较好的线性;变换精度高，数字分辨率可达12位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F变换电路,并且容易保证转换精度。2.4 系统框图设计输出频率LM331集成芯片输入电压低通滤波充放电电路 2.5 总电路图及其工作原理Ui8+5VVCCVCC123 fo564图1 LM331内部结构电路CtRs2RS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R
7、t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R
8、i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。3 理论值的计算3.1 元器件的选择与计算输入管脚的电阻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
9、的值，可调节电路的转换增益。,t1=1.1Rt*Ct 代入上式输出频率fo与电压ui成正比4 电路仿真4.1 仿真软件Proteus.professional4.2 仿真结果4.2.1 仿真电路图设计4.2.2 仿真数据记录1）仿真图形及数据Ui=1V f=2.08 kHZ Ui=1.5V f=2.84 kHZUi=2V f=3.60 kHZUi=2.5V f=4.40 kHZUi=3V f=5.13 kHZUi=3.5V f=5.88 kHZUi=4V f=6.67 kHZUi=4.5V f=7.41 kHZUi=5V f=8.20 kHZUi=5.5V f=8.93 kHZ2）仿真数据电压
10、/V11.522.533.544.555.5频率/kHZ2.082.843.64.45.135.886.677.418.28.935 电路的调试5.1 调试使用的仪器数字万用表、稳压源、示波器等5.2 数据记录电压/V11.522.533.544.555.5频率/kHZ2.683.925.236.457.879.1710.6411.8513.3714.715.3 遇到的主要问题 1）输出波形不稳定 2）当输入电压Ui为5V时，输出频率为13.37kHZ,超过了10kHZ. 3) 输入5V多，就出现了最大频率5.4 原因分析及解决措施1） RC电路部分设计不合理，应把CL电解电容换为0.01uF
11、的瓷片电容。2） 2管脚接入的固定电阻阻值过大，Rs和fo是成正比的，可以适当减小固定电阻阻值。 3） Rs接入电路阻值过大，导致芯片内部电流太小，从而影响充电电压最大值u6,间接影响输入比较器的基准电压。这时可以把滑动变阻器接入值相对调小。5.5 调试电路板及波形5.5.1 调试电路板5.5.2 调试波形6 总结6.1 心得与体会通过本次课程设计，对电压频率之间的转换有了进一步的认识，既增长了自己的专业知识与理论水平同时也提升了自身的动手能力。本课设是设计电压频率变换器，经过多次调试测量与分析，发现集成芯片LM331稳定性好，非线性失真小，并且转换精度高。在做课设的过程中查阅了不少相关方面的
12、书籍与查看了网上相关的经典电路,发现电压频率变换电路的设计有不少方案，经过向指导老师的请教以及和同学的多方研究，最终选定最佳方案。在调试过程中，通过测量与理论分析，得到了与题设所要求的结论，经过多次调试加强了分析问题和解决问题的能力。使用计算机相关软件仿真,验证了该电路的性能.仿真和实际调试有一定的误差，通过调试可以发现电路的不足之处，然后加之改正。总的来说,这样的课程设计是很好的锻炼机会, 让我对于课本上的知识有了更深的了解，对于知识，也更加形象化了。当你发现自己所学到的知识真正的应用于实践中，就会感觉到很多莫大的欣慰与惊喜。谢 辞由衷地感谢王老师，王老师对我们的严格要求与耐心指导是我能出色
13、完成此次课设的前提，同时也感谢对我提出宝贵意见或建议的同学！老师和同学们的帮助，让我少走了很多弯路，顺利完成课程设计。或许这篇论文在业内人士看来算不上佳作，可是这篇论文倾注了我的汗水和真诚，我还是希望它能成为一篇有价值，并有一定启迪意义的论文，为大学生涯交上一份满意的一份答卷！参考文献 1 先锋工作室1 单片机程序设计实例M 1 清华大学出版社,2003, 11 2 李华, 孙晓民1MCS251 系列单片机实用接口技术M 1 北京航空航天大学出版社, 20021 3 林汉1LM 331 压频转换器的原理及应用J 1 国外电子元器件, 1999, 101 4 曾新民, 曾天剑1 运算放大器应用手
14、册M 1 电子工业出版社, 1990, 31 5 胡乾斌, 李玲1 单片微型计算机原理与应用M 1 华中理工大学出版社, 19961 6 李华,孙晓民.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社.2002. 7 胡乾斌，李玲. 单片微型计算机原理与应用.华中理工大学出版社. 1996. 8 阎石.数字电子技术基础.清华大学出版社.1999.器件表课程设计1元器件清单示例学号： 姓名： 课题： 线性电压频率转换器 序 号名 称数 量单 价备 注1LM33112电阻100k23电阻4714电阻10k15电阻6.8k16电阻21k1750K精密电位器18电容0.01uf398管脚底座1DIP8101*40圆针排针111合计附图原理图 PCB图