模擬電子技術(shù)課程設(shè)計大型貨車制動過熱自動控制系統(tǒng)

1、 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計 課 題：頻率/電壓變換器學(xué) 院：電氣與電子工程學(xué)院專 業(yè)： 自動化班 級： 100303組 長： 王金玉 20100846組 員： 齊兆舉 20100841 陳 強 20100824 侯 楠20100832 劉婧瑤 20100836指導(dǎo)教師： 趙明月本課題介紹一種頻率/電壓變換器的設(shè)計方法，通過本課題要求熟悉集成頻率/電壓變換器LM331的主要性能和典型應(yīng)用，掌握運算放大器基本電路的原理，并掌握它們的設(shè)計、測量和調(diào)整方法。一、設(shè)計目的1、學(xué)習(xí)頻率/電壓變換器的設(shè)計方法；2、掌握集成電路LM331的設(shè)計方法；3、掌握反相器和反相加法器的設(shè)計方法。二、設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)1、

2、當(dāng)正弦波信號的頻率fi在400Hz4kHz范圍內(nèi)變化時，對應(yīng)輸出的直流電壓V0在2V10V范圍內(nèi)線性變化。 2、正弦波信號源采用函數(shù)波形發(fā)生器（參見課題三）。 3、采用±12V電源供電。三、設(shè)計說明1.方案選擇可供選擇的方案有兩種： （1）用通用型運算放大器構(gòu)成微分器，其輸出與輸入的正弦信號頻率成正比。 （2）直接應(yīng)用頻率電壓變換專用集成塊LM331，其輸出與輸入的脈沖信號重復(fù)頻率成正比。因為上述第（2）種方案的性能價格比較高,故本課題用LM331實現(xiàn).2. LM331用作FVC時的工作原理框LM331的原理框圖如圖5-1-1所示。此時，腳是輸出端（恒流源輸出），腳為輸入端（輸入脈沖

3、鏈），腳接比較電平。 當(dāng)輸入負(fù)脈沖到達時,由于腳電平低于腳電平,所以S=1(高電平)，=0（低電平）。此時放電管T截止，于是Ct由VCC經(jīng)Rt充電，其上電壓VCt按指數(shù)規(guī)律增大。與此同時，電流開關(guān)S使恒流源I與腳接通，使CL充電，VCL按線性增大（因為是恒流源對CL充電）。經(jīng)過1.1RtCt的時間，VCt增大到2/3VCC時，則R有效（R=1，S=0）， =0，Ct、CL再次充電。然后，又經(jīng)過1.1RtCt的時間返回到Ct、CL放電。以后就重復(fù)上面的過程，于是在RL上就得到一個直流電壓Vo（這與電源的整流濾波原理類似），并且Vo與輸入脈沖的重復(fù)頻率fi成正比。CL的平均充電電流為 I×

4、;（1.1RtCt）×fiCL的平均放電電流為Vo/RL當(dāng)CL充放電平均電流平衡時，得：Vo=I×（1.1RtCt）×fi×RL式中I是恒流電流，I=1.90V/RS式中1.90V是LM331內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓（即2腳上的電壓）。于是得：可見，當(dāng)RS、Rt、Ct、RL一定時，Vo正比于fi，顯然，要使Vo與fi之間的關(guān)系保持精確、穩(wěn)定，則上述元件應(yīng)選用高精度、高穩(wěn)定性的。3LM331用作FVC的典型電路圖5-1-2Vi2V02RLRx=51k6.7k Rt Rs0.01uF Ct5k LM331用作FVC的電路如圖5-1-2所示對于一定的fi，要使Vo為一定

5、值，可調(diào)節(jié)RS的大小。恒流源電流I允許在10A500A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故RS可在190k3.8 k范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。一般RS在10k左右取用。 又因為 在此， VCC=+12V所以 Rx=50k 根據(jù)實際需取 Rx=51 k 其中，RL=100k，Ct=0.01uF,取 RS=14k則 Vo=fi×10 3V由此得Vo與fi在幾個特殊 頻率上的對應(yīng)關(guān)系如表5-1-1所示。 表5-1-1 Vo和fi的關(guān)系fi(Hz)4001300220031004000Vo(V)0.41.32.23.14.0圖5-1-2中fi是經(jīng)過微分電路470pF和10 k加到6腳上的。6腳上要求的觸發(fā)電壓是脈沖，所以圖5-

6、1-2中的fi應(yīng)是方波。4、整機方框圖和整機電路圖（1）整機方框圖如圖5-1-3所示。頻壓轉(zhuǎn)換器2V10V圖5-1-3參考電壓VRfi=4004kHZ正弦波0.44v-0.4-4V反相加法器 反相器函數(shù)波形發(fā)生器比較器函數(shù)波形發(fā)生器輸出的正弦波經(jīng)過比較器變換成方波。方波經(jīng)F/V變換器變換成直流電壓。直流正電壓經(jīng)反相器變成負(fù)電壓，再與參考電壓VR通過反相加法器得到符合技術(shù)要求的Vo。（2）整機電路如5-1-4所示，5、函數(shù)波形發(fā)生器，比較器電路，反相器和反相加法器的設(shè)計計算：上面介紹了F/V變換器，下面介紹函數(shù)波形發(fā)生器，比較器電路，反相器和反相加法器。（1） 函數(shù)波形發(fā)生器(RC正弦波振蕩電路

7、）要為RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)匹配一個電壓放大倍數(shù)等于3（即輸出電壓與輸入電壓同相，且放大倍數(shù)的數(shù)值為3）的放大電路就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路。考慮到起震條件，所選放大電路的電壓放大倍數(shù)應(yīng)略大于3。由公式， ，得：R1=1K,R2=1.8K,C1=C2=20nFR3、R4選取20kw的電位器，來實現(xiàn)微調(diào)電路，加穩(wěn)壓管可以限制輸出電壓的峰峰值。 函數(shù)波形發(fā)生器電路圖如下：（2） 反相器(反相比列運算電路）因為都是直接耦合，為減小失調(diào)電壓對輸出電壓的影響，所以運算放大器采用低失調(diào)運放OP07。由于LM331的負(fù)載電阻RL=100k（見圖5-1-2），所以反相器的輸入電阻應(yīng)為100 k，因而取RL=100。

8、反相器的Au=-1，所以 R4=RL=100 k平衡電阻R5=RL/R4=50 k 取 R5=51 k。反相器的電路如圖5-1-6所示：（3）反相加法器（反相求和運算電路）用反相加法器是因為它便于調(diào)整-可以獨立調(diào)節(jié)兩個信號源的輸出電壓而不會相互影響，電路如圖5-1-7所示。已知Vo3= -Vo2= -fi×10-3V （1）技術(shù)要求fi=400Hz時，Vo=2Vfi=4000Hz時，Vo=10V即 （2）對照式和式，可見應(yīng)有 若取R10=R9=20 k，則R6=9k，用兩個18 k電阻并聯(lián)獲得。平衡電阻R11R10/R6/R9=4.7 k。(4)參考電壓VR可用電阻網(wǎng)絡(luò)從-12V電源

9、電壓分壓獲取，如圖5-1-8所示。若取 R7=1k，則R8/R7=0.952 kRw2+R2=9.3296 k取 R2= 6 kRw2用5 k電位器。圖5-1-4中的C5、C6、C7、C9均為濾波電容，以防止自激和輸出直流電壓上產(chǎn)生毛刺，電容值均為10F/16V。(5） 比較器（一般單限電壓比較器） 6、 仿真過程由于multisim10.0軟件中不存在LM331我只能將其省略，分成如下兩個模塊正弦波轉(zhuǎn)換為方波模塊：直流正電壓經(jīng)反向器、反向加法器得到符合技術(shù)要求的Vo模塊：7、測量和調(diào)整由于multisim10.0.1的軟件中不存在LM331導(dǎo)致我們無法仿真，且實物未連接成功，我們組無法測得實

10、際的波形和真時的電流電壓值。但經(jīng)計算理論值如下：預(yù)測可在400Hz4kHz內(nèi)的任一頻率上觀察到，圖5-1-4中有關(guān)點的波形：Vi1應(yīng)為直流電平0，幅度0.22VCC的正弦波。Vo1應(yīng)為單極性的正方波，幅度VCC。Vi2應(yīng)為直流電平VCC的正負(fù)脈沖。Vo2應(yīng)為正直流電壓，Vo3應(yīng)為負(fù)直流電壓，VO應(yīng)為正直流電壓。圖5-1-4中有關(guān)點的直流電壓：調(diào)節(jié)圖5-1-4中的電位器，將函數(shù)波形發(fā)生器的輸出信號頻率fi調(diào)到400Hz。此時：Vo2=0.4V，否則調(diào)整Rw1（整機電路中的標(biāo)號）。Vo3= -0.4V，否則調(diào)整R4。VR= -10/9V，否則調(diào)整Rw2。Vo=2V，否則分別檢查VR、Vo3產(chǎn)生的輸

11、入。固定電阻的調(diào)整可用一個接近要求值的電阻和一個小阻值的電阻串聯(lián)來實現(xiàn)。表5-1-2 有關(guān)點直流電壓V 與fi的關(guān)系fi（Hz）4001300220031104000Vo2（V）0.41.32.23.14.0Vo3（V）-0.4-1.3-2.2-3.1-4.0VR（V）-10/9-10/9-10/9-10/9-10/9Vo（V）2.04.06.08.010.08、主要元器件LM331：引腳號引腳名 功能1Current Output電流輸出2Ref Current 基準(zhǔn)電流 3Frequency Output頻率輸出 4GND 接地 5R/C 接 RC 定時電路6Thresholod 閾值 7

12、Comparator Input 比較輸入 8VS電源 LM331 器件管腳圖LM324:封裝：SOP 制造商：IPC-2221A/2222OP07CP： 封裝：PDIP-8 制造商：IPC-2221A/2222UA741:封裝：DIP8制造商：IPC-2221A/22229、設(shè)計總結(jié)與思考如果LM331輸出偏大，LM331的2腳對地有一個12K電阻和一個5K電位器串聯(lián)對地，調(diào)節(jié)電位器即可調(diào)輸出頻率，也就是圖5-1-4中的Rs。四、 結(jié)論與心得此次課程設(shè)計，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現(xiàn)差錯的隨機應(yīng)變，和與人合作共同提高，都受益匪淺。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，但我們能積極的應(yīng)對并解決。同時在設(shè)計的過程中