LM331壓頻轉(zhuǎn)換課程設(shè)計論文

1、2012GUILINUNIVERSITYOFELECTRONICTECHNOLOGY課程設(shè)計（論文）說明書設(shè)計課題：線性電壓/頻率變換器院（系）：電子工程與自動化專業(yè)：測控技術(shù)與儀器學(xué)生姓名：李金鵬學(xué)號：0900820214指導(dǎo)教師：王月娥年1月11日設(shè)計電壓/頻率變換電路，可以利用集成芯片LMx31來實現(xiàn)。具外部電壓通過低通濾波輸入芯片，在相應(yīng)管腳接入充放電電路，在輸出管腳便可輸出合適的頻率。LMx31線性度較好，不需要運放便可以實現(xiàn)電壓頻率轉(zhuǎn)換，而且變換精度高。利用專業(yè)的設(shè)計和仿真軟件（如Proteus）,設(shè)計并仿真U/F變換電路。關(guān)鍵詞：V/F轉(zhuǎn)換器；LM331芯片；高精度；外圍電路；線

2、性度；AbstractThistaskistodesignalinevoltage/frequencyconverter,itmainlyconstitutebytheLM331chipanditsexternalcircuit,realizingtheinputvoltageconvertedintoacertainfrequencyoftheoscillatingcircuit,ithasgoodlinearityandhigherconversionprecision.Keywords:V/Fconvertor;LM331chip;Highprecision;Externalcircui

3、t;Linearity;引言4.1 設(shè)計任務(wù)4.1.1 任務(wù)說明41.2 任務(wù)分析42 設(shè)計方案選擇及論證5.2.1 方案一：采用555定時器組成的壓頻轉(zhuǎn)換電路52.2 方案二：直接由LM331及其外圍電路構(gòu)成壓頻轉(zhuǎn)換器62.3 方案比較和選擇63電路設(shè)計原理、參數(shù)計算及測量結(jié)果比較7.3.1 芯片LM331的介紹73.2 LM331組成的壓頻轉(zhuǎn)換器及其工作原理83.3 protel繪制原理圖、器件選擇及參數(shù)計算103.4 電路仿真113.5 實際電路板測量與數(shù)據(jù)整理133.6 本次課題的結(jié)果及結(jié)論154組裝調(diào)試1.54.1 電路設(shè)計的中遇到的問題與解決方法154.2 實物圖165課設(shè)總結(jié)1.

4、6謝辭17.附件一18.附件二.19.附件三.19.參考文獻20.引言隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，集成的電壓頻率變換電路在電子技術(shù)、自動控制、數(shù)字儀表、通信設(shè)備、調(diào)頻、鎖相和模數(shù)變換等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。電壓/頻率變換電路簡稱U/F變換電路或者U/F變換器（UFQ0模擬電壓變換成頻率轉(zhuǎn)換以后，其抗干擾能力增強了，因此尤其適用于遙控系統(tǒng)、干擾較大的場合和遠距離傳輸?shù)确矫?。此次設(shè)計用LM331設(shè)計組成一個將輸入電壓轉(zhuǎn)換成一定的頻率的振蕩電路通過不斷仿真與調(diào)試后達到了設(shè)計的指標要求，且該電路穩(wěn)定，具有較高的轉(zhuǎn)換精度和良好的線性度。1設(shè)計任務(wù)1.1 任務(wù)說明本次課題主要是壓頻轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

5、，通過完成此次的設(shè)計課題理解壓頻轉(zhuǎn)換電路的原理、理解LM331的應(yīng)用。要求輸出波形良好的在示波器上顯示出來，并且輸出頻率和輸入電壓有良好的線性關(guān)系。1.2 任務(wù)分析設(shè)計一個壓頻轉(zhuǎn)換電路，其具體指標要求如下：1）要求將輸入電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的振蕩電路2）當輸入信號電壓在02V時，輸出振蕩的頻率為10-10KHZ3）輸入電壓和輸出頻率之間有良好的線性關(guān)系4）給定元件：LM331電阻、電容、精密電位器2設(shè)計方案選擇及論證2.1 方案一：采用555定時器組成的壓頻轉(zhuǎn)換電路圖2.1555壓頻轉(zhuǎn)換電路采用集成時基電路555構(gòu)成的壓頻轉(zhuǎn)換電路，ICi運算放大器接成同相放大器，具放大倍數(shù)K=RZ+1,其放大量

6、由Ki,K2來控制。IC2與C3、CRP等構(gòu)成有源積分電路，當RA積分電壓下降至555觸發(fā)電平(<-VDD)時，555置位。同時，VT1導(dǎo)通，積分電容迅即放電，3積分電壓V2通過E對C2充電,當C上電壓升高至8DD時，555復(fù)位，形成震蕩。因此,輸出電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的震蕩波。當輸入信號電壓在0-2V時，輸出震蕩的頻率為10Hz-10KHz2.2 方案二：直接由LM331及其外圍電路構(gòu)成壓頻轉(zhuǎn)換器圖2.2LM331壓頻轉(zhuǎn)換電路下圖所示即為LM331及其外圍電路組成的壓頻轉(zhuǎn)換器。其中每個管腳元器件的連接都是典型的電路連接，如管腳為一個低通的RC濾波電路；、管腳相連，并連接一個RC電路;管腳

7、為一個RC的充電電路；管腳接工作電壓，管腳為輸出且并聯(lián)一個上拉電阻。2.3 方案比較和選擇方案一中，要使用芯片555,要實現(xiàn)壓頻轉(zhuǎn)換基本要四部分組成。首先利用運放設(shè)計積分電路，目的是為了電容的充放電。將其連接到由555都構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路上，利用三極管的導(dǎo)通和截止構(gòu)成電子開關(guān)控制恒流源。這個方案用了很長的時間在各個模塊的連接上，但是最后還是不能得到實驗的線性要求。方案二中，用集成的芯片LM331使實驗變得簡單，直接解決了單穩(wěn)態(tài)電路、電子開關(guān)、包流源的連接的設(shè)計。直接由LM331及其外圍的典型電路關(guān)系，即可簡便的組成一個V/F轉(zhuǎn)換電路，能夠達到本次課題的要求，又能提高資源的利用率，因此本次課題，選

8、擇方案三。運用LM331實現(xiàn)壓頻轉(zhuǎn)換，具有電路簡單，成本低廉，測量精度高并且轉(zhuǎn)換位數(shù)可調(diào)的特點，在實際工作之前，對電路器件參數(shù)進行調(diào)校，調(diào)校之后，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。3電路設(shè)計原理、參數(shù)計算及測量結(jié)果比較3.1芯片LM331的介紹%圖3.1LM331的電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖LMx31系列芯片是集成的U/F,F/U變換器，包括LM131敘LM131LM231敘LM231LM331A/LM331等。這類集成芯片的性價格比較高。LM131/231/331內(nèi)部具有新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和電源電壓低到4.0V時，也具有極高的精度，能滿足100kHz的U/F轉(zhuǎn)換所需要的高速響應(yīng)，其內(nèi)部精密定時

9、電路具有低的偏置電流，高壓輸出可達40V,可防止+V端的短路，另外其輸出可驅(qū)動3個TTL負載。這類器件常常應(yīng)用于A/D轉(zhuǎn)換、精密F/U轉(zhuǎn)換、長時間積分、線性頻率調(diào)制和解調(diào)、數(shù)字系統(tǒng)、計算機應(yīng)用系統(tǒng)等方面。(1)器件性能特點如下：最大線性度：0.01%。雙電源或單電源工作(單電源可以在5V以下工作)脈沖輸出與所有邏輯形式兼容。最佳溫度穩(wěn)定性：最大值為土50X10-6/oC小功耗：5V以下典型值為15mW寬的動態(tài)范圍：10kHz滿量程頻率下最小值為100dB。滿量程頻率范圍：1Hz100kHz(2)LM331內(nèi)部輸入比較電路定時比較電路R-S觸發(fā)電路復(fù)零晶體管輸出驅(qū)動管能隙基準電路精密電流源電路電

10、流開關(guān)輸出保護電路等部分(3)LM331芯片的引腳簡介：引腳為電流源輸出端，在fo(引腳三)輸出邏輯低電平時，電流源輸出對電容充電。引腳為增益調(diào)整，改變管腳所接電阻的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小。引腳為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由管腳所接Rt和Ct決定。引腳為電源地。引腳為定時比較器正相輸入端。引腳為輸入比較器反相輸入端。引腳為輸入比較器正相輸入端。引腳為電源正端。3.2LM331組成的壓頻轉(zhuǎn)換器及其工作原理剛接電源時Cl和Ct兩個電容上沒有電壓，若輸入控制電壓Vi為大于零的值,則比較器&的輸出1,而比較器C2的輸出0,鎖存器被置成Q=1犬態(tài)。Q端得高電平使與T2導(dǎo)通，V0=0。

11、同時鏡像電流源輸出端開關(guān)或到引腳1一邊，電流I。向Cl開始充電。而Q'的低電平使丁3截止，所以ct也同時開始充電。當Ct的電壓上升到2/3VCC時，鎖存器被置成Q=0T2截止，V0=1.同時開關(guān)轉(zhuǎn)接到地，Cl開始向RL放電。而Q'變成高電平后使T3導(dǎo)通，Ct通過T3迅速放電至VCT=0,并使比較器C2輸出為0o當Cl放電到Vcl<Vi時，比較器G輸出為1,重新將鎖存器置成Q=1,于是V。又跳變成低電平，Cl和Ct開始充電，重復(fù)上面的過程。如此反復(fù)，便在V。端得到矩形輸出波形。根據(jù)每個震蕩周期中Cl的充電電荷與放電電荷守恒，據(jù)此就可以計算震蕩震蕩頻率了。首先計算CL的充電時

12、間T1.它等于Q=1勺持續(xù)時間，也就是電容CT上的電壓從0充電到2/3Vcc的時間，故得丁1=%同一Vcc0=RTCTln3=1.1RTCTVcc-2Vcc3Cl在充電期間獲得的電荷為Q1=(Io-Irl)T1=(|°_Yi)T1,式中的Irl為流過電阻RlRl上的電流。若震蕩周期為T、放電時間為丁2,則T2=T-又知Cl的放電電流為Irl=Y,又因放電Rl期間Cl釋放的電荷為Q2=IrlT2="(T-T1)Rl根據(jù)QWQ2目等，即得到（I。-"）丁1="（T-TJRlRlT=oRlT1Vi故電路的震蕩周期為f=1=TIoRlT1將Io=VR互、T1=1

13、.1RtCt代入上式而且知道Vref=1.9V,故得到f=RViRS2.09RtCtRl3.3protel繪制原理圖、器件選擇及參數(shù)計算圖3.2壓頻轉(zhuǎn)換原理圖有上圖可以看出，其中管腳的R08波器中，因為通過仿真結(jié)果得當R1改變時，對輸出波形頻率不影響，因此R越擇100K,這將抵消6管腳失調(diào)電流所起的作用，有助于獲得最小頻偏。Rs=50kQ的電位器和R6=5kQ,作用是調(diào)節(jié)增益偏差和由RLRt、Ct引起的偏差，以及校正輸出頻率。電路中47Q電阻和1uF電容Cl產(chǎn)生迥差效果有助于輸出比較器獲得更加的線性度。理論計算：當RS=50KRT=4.8K時，Vi=0V時,計算得f0=0HZ;Vi=0.5V時

14、,計算得f0=2500HZVi=1V時，計算得f0=5000HZ;Vi=1.5V時，計算得f0=7500HZVi=2V時，計算得f0=10KHZ圖3.3仿真電路圖由上圖可知，仿真時工作電壓VCC=15V,其他參數(shù)如原理圖相同，滑動變阻器R5調(diào)至90%誤差減小到最佳，滑動變阻器RS調(diào)至89%即RS=44.5K,滑動變阻器RS調(diào)至48%即RS=4.8K。調(diào)節(jié)輸入電壓，記錄波形和輸出頻率，如下：當Vi=0V時，f°=8Hz,仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本相符;圖3.4仿真波形數(shù)據(jù)圖1當Vi=0.5V時，f0=2514HZ,仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本相符;Mm中圖3.5仿真波形數(shù)據(jù)圖2圖3.6仿真波形數(shù)

15、據(jù)圖3z,仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本相符;當Vi=1V時，f0=5017H當Vi=1.5V時，f0=7524Hz,仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本相符;JlmieliC圖3.7仿真波形數(shù)據(jù)圖4當Vi=2V時，f0=10.03KHz,仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本相符;圖3.8仿真波形數(shù)據(jù)圖53.5實際電路板測量與數(shù)據(jù)整理圖3.9實際電路板調(diào)試時的波形實際測量值:輸入電壓/Vi00.20.40.60.8輸出頻率/fo0.1151.252.333.454.57輸入電壓/Vi1.01.21.41.61.82.0輸出頻率/fo5.686.757.888.99.910.91仿真理論值:輸入電壓/Vi00.20.40.60.8

16、輸出頻率/fo0.0081.012.013.024.02輸入電壓/Vi1.01.21.41.61.82.0輸出頻率/fo5.026.027.028.039.0310.03由以上兩個表格繪制出V-F關(guān)系圖如下：Y-F關(guān)系圖圖3.10壓頻轉(zhuǎn)換關(guān)系圖3.6本次課題的結(jié)果及結(jié)論由前面所列舉的圖形可知，該電路可以實現(xiàn)壓頻轉(zhuǎn)換，得到頻率，頻率隨電壓變化而變化，且頻率穩(wěn)定。由以上的V-F關(guān)系圖得出：壓頻轉(zhuǎn)換電路能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成一定的頻率，且輸入電壓Vi與輸出頻率fo成良好的線性關(guān)系。4組裝調(diào)試4.1 電路設(shè)計的中遇到的問題與解決方法這個課設(shè)的題目時我首先想到了用555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)組成電壓頻率變換電路，課設(shè)每

17、個模塊根據(jù)原理設(shè)計好了，最后的難點把我難住了不知道怎么把個個模塊連接起來做成電路，設(shè)計了幾種最后的仿真波形還是不理想。時間的關(guān)系不得以最后放棄這種方法，這次我利用集成芯片LM331構(gòu)成壓頻轉(zhuǎn)換，這樣就是電路變得簡單。做好調(diào)試前的各種準備，在焊接之前，先用萬用表對印制好的板子檢查，電路板上的電路是否所有都導(dǎo)通，是否有虛焊的現(xiàn)象，這是我就發(fā)現(xiàn)滑動變阻器PCB上的封裝和實物元器件不對應(yīng)，這時最好的辦法就是把實物滑動變阻器關(guān)鍵翻折對調(diào)一下，目的是讓它對應(yīng)PCB圖管腳。在連接好電路后，打開所有電源發(fā)現(xiàn)沒有波形顯示此種情況，嘗試調(diào)節(jié)兩個滑動變阻器，能解決這種現(xiàn)象。且在調(diào)節(jié)滑動變阻器時，不宜太用力也不宜太快

18、，否則會把元器件弄壞而不能工作。在調(diào)試過程中波形變化很大時可能因為LM331的工作電壓低于5V,要保持工作電壓不變的情況下測量數(shù)據(jù)，且不宜用比5V小的工作電壓，所以我選擇了15V。當我發(fā)現(xiàn)充電時間和放電時間變化很大，改變RT阻值即可改變充電時間是波形更加理想。4.2 實物圖圖4.1實物電路板（正）圖4.2實物電路板（反）5課設(shè)總結(jié)本次實驗設(shè)計，不僅僅的是單純的課程設(shè)計,更讓我對深刻的認識到了課本知識的重要性，也讓我更加了解了課本的知識，特別是LM331s列芯片以及各種工具軟件的使用。如果純粹地追求科本，死記硬背，不靈活將知識搬到實際生活中，那么這樣的學(xué)習(xí)是毫無價值和意義的。理論上的東西似乎都能

19、很好的理解，一旦真正的應(yīng)用于實踐中，就會產(chǎn)生很多意想不到的問題。本次實驗利用單片機模擬仿真軟件Proteus進行U/F變換器的設(shè)計與仿真。LM331其系列芯片是集成的U/F,F/U變換器，外部電壓通過低通濾波輸入芯片，在相應(yīng)管腳接入充放電電路，在輸出管腳便可輸出合適的頻率。本設(shè)計實驗就是利用LM33保列芯的這些優(yōu)點來實現(xiàn)電壓/頻率的變換。通過本次實驗，不僅僅讓我有效地將課本所學(xué)的知識應(yīng)用于實踐，達到了學(xué)以致用的目的,而且在設(shè)計的過程中，使自己在學(xué)習(xí)新知識、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題等方面得到了很好的鍛煉,為以后的學(xué)習(xí)和工作打下了良好的基礎(chǔ)?？偠灾m然本次實驗設(shè)計耗費了我大量的時間，但是確實給我?guī)砹瞬簧偈斋@，覺得