頻率電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)報(bào)告專用紙淮海工學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 課程名稱： 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目： 頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 系 （院）： 電子工程學(xué)院 學(xué) 期： 12-13-1 專業(yè)班級(jí)： 電子112 姓 名： 孫開峰 學(xué) 號(hào)： 2011120658 評(píng)語：成績(jī)：簽名日期：1、 概述 本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求對(duì)比較器、F/V變換器LM331、反相器和反相加法器的主要性能和應(yīng)用有所了解，要能掌握其使用方法。同時(shí)要了解它們的設(shè)計(jì)原理。本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求我們要靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)電路的理論值進(jìn)行計(jì)算得到理論數(shù)據(jù)，在與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。1.1 主要設(shè)計(jì)要求 當(dāng)正弦波信號(hào)的頻率fi在200Hz2kHz范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)

2、應(yīng)輸出的直流電壓Vi在15V范圍內(nèi)線形變化;正弦波信號(hào)源采用函數(shù)波形發(fā)生器的輸出;采用12V電源供電.1.2 設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)總體框圖如下，可供選擇的方案有兩種，它們是：用通用型運(yùn)算放大器構(gòu)成微分器,其輸出與輸入的正弦信號(hào)頻率成正比.直接應(yīng)用F/V變換器LM331,其輸出與輸入的脈沖信號(hào)重復(fù)頻率成正比.參考電壓VR反相加法器V015V-0.22V反相器直流0.22VVVF/V變換器方波比較器正弦波被測(cè)量信號(hào)200Hz2kHz圖1、設(shè)計(jì)總體框圖2、 設(shè)計(jì)過程2.1 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICL8038芯片介紹2.1.1 ICL8038作用ICL 8038 是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整

3、個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從 0.001HZ300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)頻信號(hào)輸入端, 所以可以用來對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制。 2.1.2 ICL8038管腳介紹腳號(hào)引腳代號(hào)功能1、12Sine Wave Adjust正弦波失真度調(diào)節(jié)2Sine Wave Out正弦波輸出3Triangle Out三角波輸出4、5Duty Cycle Frequency方波的占空比調(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對(duì)稱調(diào)節(jié)6V+正電源10V18V7FMBias內(nèi)部頻率調(diào)節(jié)偏置電壓輸入8FM Sweep外部掃描頻率電壓輸入9SquareWa

4、veOut方波輸出，為開路結(jié)構(gòu)10TimingCapacitor外接振蕩電容11V orGND負(fù)電原或地13、14NC空腳圖2 ICL8038表1 引腳功能介紹2.2 比較器的設(shè)計(jì) 過零比較器 過零比較器被用于檢測(cè)一個(gè)輸入值是否是零。原理是利用比較器對(duì)兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較。兩個(gè)輸入電壓一個(gè)是參考電壓Vr，一個(gè)是待測(cè)電壓Vu。一般Vr從正相輸入端接入，Vu從反相輸入端接入。根據(jù)比較輸入電壓的結(jié)果輸出正向或反向飽和電壓。當(dāng)參考電壓已知時(shí)就可以得出待測(cè)電壓的測(cè)量結(jié)果，參考電壓為零時(shí)即為過零比較器。用比較器構(gòu)造的過零比較器存在一定的測(cè)量誤差。當(dāng)兩個(gè)輸入端的電壓差與開環(huán)放大倍數(shù)之積小于輸出閾值時(shí)探測(cè)器都

5、會(huì)給出零值。例如，開環(huán)放大倍數(shù)為106，輸出閾值為6v時(shí)若兩輸入級(jí)電壓差小于6微伏探測(cè)器輸出零。這也可以被認(rèn)為是測(cè)量的不確定度。 圖3 過零比較器VIVEEA+VCCVo2.3 F/V變換電路的設(shè)計(jì)2.3.1 F/V變換器的簡(jiǎn)單介紹 LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片,可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、A/ D 轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。LM331 采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路, 在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到 4.0V 電源電壓下都有極高的精度。LM331 的動(dòng)態(tài)范圍寬, 可達(dá) 100dB ; 線性度好, 最大非線性失真小于 0.01% ,工作頻率低到0

6、.1Hz時(shí)尚有較好的線性;變換精度高,數(shù)字分辨率可達(dá)12位; 外接電路簡(jiǎn)單,只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成 V/F 或 F/V 等變換電路,并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。 2.3.2 LM331 器件管腳圖及管腳功能引腳號(hào)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(shí)電路6Thresholod閾值7Comparator Input比較輸入8VS電源圖4 LM331 器件管腳圖及管腳功能 2.3.3 LM331 內(nèi)部功能圖 LM331 的內(nèi)部電路組成如右圖所示由輸入比較器、定時(shí)比較器、R-S 觸發(fā)

7、器、輸出驅(qū)動(dòng)管、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成輸出驅(qū)動(dòng)管采用集電極開路形式,因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻,靈活改變輸出脈沖的邏輯電平,以適配 TTL、DTL 和 CMOS 等不同的邏輯電路。LM331 可采用雙電源或單電源供電,可工作在 4.040V 之間,輸出可高達(dá) 40V,而且可以防止 Vcc 短路。 圖5 LM331 內(nèi)部功能圖2.3.4 LM331用作FVC時(shí)的原理框圖6 LM331用作FVC時(shí)的原理框腳是輸出端(恒流源輸出),腳為輸入端(輸入脈沖鏈),腳接比較電平.工作過程波形如下：圖7 工作過程波形 當(dāng)輸入負(fù)脈沖到達(dá)時(shí),由于腳電平低于

8、腳電平,所以S=1(高電平)，=0（低電平）。此時(shí)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(shí)，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?yàn)槭呛懔髟磳?duì)CL充電）。經(jīng)過1.1RtCt的時(shí)間，VCt增大到2/3VCC時(shí)，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(shí)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(gè)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（1.1RtCt）fiCL的平均放電電流為： Vo/RL當(dāng)CL充

9、放電平均電流平衡時(shí)，得 Vo=I（1.1RtCt）fiRL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 VO=2.09RlRtCtfi/Rs可見，當(dāng)RS、Rt、Ct、RL一定時(shí)，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。對(duì)于一定的fi，要使Vo為一定植，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。注意： 電容C1的選擇不宜太小，要保證輸入脈沖經(jīng)微分后有足夠的幅度來觸發(fā)輸入比較器，但電容C1小些有

10、利于提高轉(zhuǎn)換電路的抗干擾能力。電阻RL和電容CL組成低通濾波器。電容CL大些，輸出電壓Vo的紋波會(huì)小些，電容CL小些，當(dāng)輸入脈沖頻率變化時(shí)，輸出響應(yīng)會(huì)快些。2.3.5 LM331用作FVC的電路Vo圖8 LM331用作FVC的電路在此，VCC=12V所以 Rx=50k取 Rx=51 k取 RS=14.2 k則 Vo=fi10 3V由此得Vo與fi在幾個(gè)特殊 頻率上的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。 表2 Vo和fi的 關(guān)系Fi(Hz)200650110015512000Vo(V)0.20.651.11.552.0 圖8中fi是經(jīng)過微分電路470pF和10 k加到腳上的。腳上要求的觸發(fā)電壓是脈沖，所以圖2.

11、3.6.1中的fi應(yīng)是方波。函數(shù)波形發(fā)生器輸出的正弦波比較器變換成方波。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。整機(jī)電路如圖9所示。圖9 整機(jī)電路圖2.4 反相器的設(shè)計(jì) 反相器的選取 反相器的電路如圖5-1-6所示。 因?yàn)槎际侵苯玉詈?，為減小失調(diào)電壓對(duì)輸出電壓的影響，所以運(yùn)算放大器采用低失調(diào)運(yùn)放OP07。由于LM331的負(fù)載電阻RL=100k（見圖5-1-3），所以反相器的輸入電阻應(yīng)為100 k，因而取RL=100。反相器的Au=-1，所以R4=RL=100 k平衡電阻R5=RL/R4=50k取R5=51 k。圖10

12、 反相器圖2.4.32.5 反相加法器的設(shè)計(jì)2.5.1 反相加法器原理 反相加法器運(yùn)算電路是運(yùn)用集成運(yùn)算放大器LM741接外接電路組成的具有將輸入的信號(hào)不同比例放大后疊加反相輸出功能的運(yùn)算電路。反相加法運(yùn)算電路的基本電路如圖所示。同相端接地，輸入信號(hào)從反相端輸入，當(dāng)運(yùn)算放大器的開環(huán)增益足夠大時(shí)，其輸入端為虛地，Vs1和Vs2均可通過R1和R2轉(zhuǎn)換電流，實(shí)現(xiàn)代數(shù)的相加運(yùn)算。其輸出電壓為： Vo=-（Rf/R1 Vs1+Rf/R2 Vs2)當(dāng)R1=R2=R的時(shí)候： Vo=-Rf/R(Vs1+Vs2)式中的負(fù)號(hào)是因反相輸入端所引起的2.5.2 反相加法器的參數(shù)設(shè)定圖11 反相加法器的參數(shù)設(shè)定用反相加

13、法器是因?yàn)樗阌谡{(diào)整-可以獨(dú)立調(diào)節(jié)兩個(gè)信號(hào)源的輸出電壓而不會(huì)相互影響已知Vo3= -Vo2= -fi10-3V技術(shù)要求fi=200Hz時(shí)，Vo=1Vfi=2000Hz時(shí)，Vo=5V即（2）對(duì)照式和式，可見應(yīng)有 若取R10=R9=20 k，則VR= -VR6=9k，用兩個(gè)18 k電阻并聯(lián)獲得。平衡電阻R11R11/R6/R9=4.7 k。參考電壓VR可用電阻網(wǎng)絡(luò)從-12V電源電壓分壓獲取，如圖12所示。 圖12若取 R8=1k，則R8/R9=0.952 kRw2+R7=19.6 k取 R7= 15 kRw2用10 k電位器。圖5-1-5中的C2、C3、C4、C5均為濾波電容，以防止自激和輸出直流

14、電壓上產(chǎn)生毛刺，電容值均為10F/16V。表三 元件清單3、 元件清單 序號(hào)編號(hào)名稱規(guī)格數(shù)量1C1電容470pF12C2電容0.01F13C3電容10F14LF353P集成運(yùn)放LF353P25KA331頻率-電壓轉(zhuǎn)換器KA33116R1電阻10K47R2電阻100K38R3電阻12K19R4電阻51K310R5電阻6.8K211R6電阻5K112R7電阻2K113R8電阻1K114R9電阻30K115R10電阻20K116R11電位器2K117R12電位器10K118ICL8038函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICL803814、心得體會(huì) 這是的電路設(shè)計(jì)讓我深深體會(huì)到自己的不足。我深深的感覺到原來在書本上的東

15、西運(yùn)用到實(shí)際上的電路的時(shí)候不是那么順利的，我們要不斷的調(diào)試計(jì)算，要保證每個(gè)部分可以很好的配合。同時(shí)，這次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多新的知識(shí)，讓我接觸到平時(shí)我們不怎么接觸到的器件，讓我了解了它們的性能和作用。我也發(fā)現(xiàn)有些平時(shí)在學(xué)電路和電子線路不懂的問題，在這次課程設(shè)計(jì)的過程中我也慢慢的懂得了。 在這次課程設(shè)計(jì)的開始，我感覺好迷茫，因?yàn)槲也恢牢乙蓡?，我要如何去設(shè)計(jì)，但通過幾天的查閱資料和詢問同學(xué)，慢慢的我懂得了如何去做。我覺得這次課程設(shè)計(jì)最大的困難就是對(duì)F/V變換器LM331的認(rèn)識(shí)和理解。因?yàn)樵谥拔覍?duì)這個(gè)器件一點(diǎn)都不了解。剛看到它的電路圖時(shí)，我感覺好復(fù)雜，雖然里面有我們學(xué)過的器件，但組合起來之后，就會(huì)比較難懂。但在我查閱資料后慢慢對(duì)這個(gè)器件的一些性能有所了解。雖然可能現(xiàn)在理解的還不是很透徹，但