LM331壓頻轉換課程設計論文

1、2012GUILINUNIVERSITYOFELECTRONICTECHNOLOGY課程設計（論文）說明書設計課題：線性電壓/頻率變換器院（系）：電子工程與自動化專業(yè)：測控技術與儀器學生姓名：李金鵬學號：0900820214指導教師：王月娥年1月11日設計電壓/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)電壓頻率轉換，而且變換精度高。利用專業(yè)的設計和仿真軟件（如Proteus）,設計并仿真U/F變換電路。關鍵詞：V/F轉換器；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 設計任務4.1.1 任務說明41.2 任務分析42 設計方案選擇及論證5.2.1 方案一：采用555定時器組成的壓頻轉換電路52.2 方案二：直接由LM331及其外圍電路構成壓頻轉換器62.3 方案比較和選擇63電路設計原理、參數(shù)計算及測量結果比較7.3.1 芯片LM331的介紹73.2 LM331組成的壓頻轉換器及其工作原理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 本次課題的結果及結論154組裝調試1.54.1 電路設計的中遇到的問題與解決方法154.2 實物圖165課設總結1.

4、6謝辭17.附件一18.附件二.19.附件三.19.參考文獻20.引言隨著電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展，集成的電壓頻率變換電路在電子技術、自動控制、數(shù)字儀表、通信設備、調頻、鎖相和模數(shù)變換等許多領域得到廣泛的應用。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)确矫妗４舜卧O計用LM331設計組成一個將輸入電壓轉換成一定的頻率的振蕩電路通過不斷仿真與調試后達到了設計的指標要求，且該電路穩(wěn)定，具有較高的轉換精度和良好的線性度。1設計任務1.1 任務說明本次課題主要是壓頻轉換電路的設計

5、，通過完成此次的設計課題理解壓頻轉換電路的原理、理解LM331的應用。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系。1.2 任務分析設計一個壓頻轉換電路，其具體指標要求如下：1）要求將輸入電壓轉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系4）給定元件：LM331電阻、電容、精密電位器2設計方案選擇及論證2.1 方案一：采用555定時器組成的壓頻轉換電路圖2.1555壓頻轉換電路采用集成時基電路555構成的壓頻轉換電路，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復位，形成震蕩。因此,輸出電壓轉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及其外圍電路構成壓頻轉換器圖2.2LM331壓頻轉換電路下圖所示即為LM331及其外圍電路組成的壓頻轉換器。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)壓頻轉換基本要四部分組成。首先利用運放設計積分電路，目的是為了電容的充放電。將其連接到由555都構成的單穩(wěn)態(tài)電路上，利用三極管的導通和截止構成電子開關控制恒流源。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、包流源的連接的設計。直接由LM331及其外圍的典型電路關系，即可簡便的組成一個V/F轉換電路，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)壓頻轉換，具有電路簡單，成本低廉，測量精度高并且轉換位數(shù)可調的特點，在實際工作之前，對電路器件參數(shù)進行調校，調校之后，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。3電路設計原理、參數(shù)計算及測量結果比較3.1芯片LM331的介紹%圖3.1LM331的電路內部結構框圖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轉換所需要的高速響應，其內部精密定時

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，另外其輸出可驅動3個TTL負載。這類器件常常應用于A/D轉換、精密F/U轉換、長時間積分、線性頻率調制和解調、數(shù)字系統(tǒng)、計算機應用系統(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內部輸入比較電路定時比較電路R-S觸發(fā)電路復零晶體管輸出驅動管能隙基準電路精密電流源電路電

10、流開關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。引腳為增益調整，改變管腳所接電阻的值可調節(jié)電路轉換增益的大小。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導通，V0=0。

11、同時鏡像電流源輸出端開關或到引腳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.同時開關轉接到地，Cl開始向RL放電。而Q'變成高電平后使T3導通，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，重復上面的過程。如此反復，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調至90%誤差減小到最佳，滑動變阻器RS調至89%即RS=44.5K,滑動變阻器RS調至48%即RS=4.8K。調節(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關系圖如下：Y-F關系圖圖3.10壓頻轉換關系圖3.6本次課題的結果及結論由前面所列舉的圖形可知，該電路可以實現(xiàn)壓頻轉換，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關系圖得出：壓頻轉換電路能將輸入電壓轉換成一定的頻率，且輸入電壓Vi與輸出頻率fo成良好的線性關系。4組裝調試4.1 電路設計的中遇到的問題與解決方法這個課設的題目時我首先想到了用555構成單穩(wěn)態(tài)組成電壓頻率變換電路，課設每

17、個模塊根據(jù)原理設計好了，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，設計了幾種最后的仿真波形還是不理想。時間的關系不得以最后放棄這種方法，這次我利用集成芯片LM331構成壓頻轉換，這樣就是電路變得簡單。做好調試前的各種準備，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，這時最好的辦法就是把實物滑動變阻器關鍵翻折對調一下，目的是讓它對應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，嘗試調節(jié)兩個滑動變阻器，能解決這種現(xiàn)象。且在調節(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課設總結本次實驗設計，不僅僅的是單純的課程設計,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，那么這樣的學習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的知識應用于實踐，達到了學以致用的目的,而且在設計的過程中，使自己在學習新知識、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題等方面得到了很好的鍛煉,為以后的學習和工作打下了良好的基礎?？偠灾m然本次實驗設計耗費了我大量的時間，但是確實給我?guī)砹瞬簧偈斋@，覺得