电压频率转换电路课设论文

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    课程设计(论文) 课程设计(论文)说明书

    设计课题： 院 （系） ： 专 业：

    电压/频率变换器 电子工程与自动化 测控技术与仪器 唐 源

    学生姓名： 学 号：

    0800820419 王 月 娥 讲 师

    指导教师： 职 称：

    2011 年 1 月 20 日

    1

    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 ：

    2

    目

    录

    引言 …… 1 1 设计任务及要求…… 1

    1.1 设计内容 …… 1 1.2 设计要求 …… 1

    2

    设计方案及方案确定 …… 1

    2.1 设计方案 …… 1 2.1.1 两种方案的设计 …… 1 2.1.2 方案确定 …… 1 2.4 系统框图设计 …… 2 2.5 总电路图及其工作原理 …… 3

    3 4

    理论值的计算 …… 4

    3.1 元器件的选择与计算 …… 4

    电路仿真 …… 4

    4.1 仿真软件 …… 4 4.2 仿真结果 …… 5 4.2.1 仿真电路图设计 …… 5 4.2.2 仿真数据记录 …… 5

    5

    电路的调试 …… 7

    5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 调试使用的仪器 …… 7 数据记录 …… 7 遇到的主要问题 …… 7 原因分析及解决措施 …… 7 调试电路板及波形 …… 8 5.5.1 调试电路板 …… 8 5.5.2 调试波形 …… 8

    6 总结 …… 9

    6.1 心得与体会 …… 9 谢 辞 …… 9 参考文献 …… 9 器件表 …… 10 附图…… 10 原理图 …… 10 PCB 图 …… 11

    3

    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 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

    设计内容：线形电压/频率变换器

    1.1 设计内容 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 0V——5V 时，输出振荡的频率为 10HZ——10KHZ； 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：

    单稳态 触发器 电子开关

    积分器

    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 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

    1

    2 所示。

    VCC 8

    精密电流 7 6 RS 触发器

    +

    输入比较器 Q

    基准电路 电流开关 1

    5

    定时比较器

    2 3

    4 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4～40V。线性 度好, 最大非线性失真小于0. 01 % , 工作频率低到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 2.4 系统框图设计

    LM331 集成芯片

    输入电 压

    低通滤波

    输出频率

    充放电电路

    2

    2.5 总电路图及其工作原理

    VCC 8

    精密电流 7

    +

    Ui 6

    输入比较器 Q RS 触发器

    基准电路 电流开关 1

    CL

    R 定时比较器

    5 复零晶体 输出驱动 Ct 2R

    2 3 fo

    +5V 4 图1 VCC LM331 内部结构电路 Rs2

    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R－S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Rt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R－S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R－S 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：

    f0= 1 Rs * Ui Rs * Ui = = T 1 .90 * 1 . 1 * Rt * Ct * Rl 2 . 09 * Rt * Ct * Rl

    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Ri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

    3

    理论值的计算

    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

    3.1 元器件的选择与计算 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

    t = 1.1 * R * C ，

    典型值取 Rt=6.8kΩ，接地电容一般取 Ct=0.01μF，则 t=7.5μs。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：

    ( Is -

    Vt Vt ) * t1 = t 2 * Rl RL

    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 的值，可调节电路的转换增益。,t1=1.1Rt*Ct

    Is =

    代入上式

    1 .9 Rs

    f0=

    1 Rs * Ui Rs * Ui = = T 1 .90 * 1 . 1 * Rt * Ct * Rl 2 . 09 * Rt * Ct * Rl

    输出频率 fo 与电压 ui 成正比

    4

    电路仿真

    4.1 仿真软件 Proteus.professional

    4

    4.2 仿真结果 4.2.1 仿真电路图设计

    BAT3

    12V

    BAT4 R2

    0 5V

    C1 RI RT

    6.8k 100k 0.01u 7 5 6 CMIN R-C THR

    8 VCC FOUT REFI IOUT GND 4

    U1

    3 2 1

    10k

    A B C

    CT

    0.01u

    R3

    LM331 21k

    D

    RV3

    50k

    2%

    RL

    100k

    CL

    0.01u

    R1

    47

    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 kHZ

    Ui=2V

    f=3.60 kHZ

    Ui=2.5V

    f=4.40 kHZ

    5

    Ui=3V

    f=5.13 kHZ

    Ui=3.5V

    f=5.88 kHZ

    Ui=4V

    f=6.67 kHZ

    Ui=4.5V

    f=7.41 kHZ

    Ui=5V

    f=8.20 kHZ

    Ui=5.5V

    f=8.93 kHZ

    2）仿真数据 电压/V 1 频率/kHZ 2.08

    1.5 2.84

    2 3.6

    2.5 4.4

    3 5.13

    3.5 5.88

    4 6.67

    4.5 7.41

    5 8.2

    5.5 8.93

    6

    5

    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/V 1 频率/kHZ 2.68 1.5 3.92 2 5.23 2.5 6.45 3 7.87 3.5 9.17 4 10. 4.5 11.85 5 13.37 5.5 14.71

    电压频率变换表 16 14 12 频率/V 10 8 6 4 2 0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 电压/V 实际测量值 仿真值

    5.3 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。

    7

    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

    8

    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 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [5] 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 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 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 曾新民, 曾天剑 1 运算放大器应用手册[M ]1 电子工业出版社, 1990, 31 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

    社, 20021

    [ 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.

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    器件表

    《课程设计 1》元器件清单示例

    学号： 课题： 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0800820419 线性电压—频率转换器 名 LM331 电阻 100k 电阻 47 电阻 10k 电阻 6.8k 电阻 21k 50K 精密电位器 电容 0.01uf 8 管脚底座 1*40 圆针排针 合计 称 数 量 1 2 1 1 1 1 1 3 1 1 DIP8 单 价 备 注 姓名： 唐源

    附图 原理图

    P3=12v Ci P1=Vin 2 1 0.01uF 7 1 6 4 RL 100K CL 0.01uF U1 CMPR IN VDD IOUT THR R/C FREQ OUT GND IREF LM331AN 8 5 3 2 1 2 Rt 6.8K Rs1 21K Ro 10K P4=5V R1 47 Rs2 50K 1 2 Header 2 Header 2 Ct P2=out 0.01uF 1 2

    Ri 100K

    10

    PCB图

    2

    2 2 3

    1 2

    1

    2

    1

    1 1 1

    1

    8

    2

    7

    2

    1

    3

    6

    4

    5

    2

    2

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