電壓頻率轉(zhuǎn)換電路課設(shè)

1、設(shè)計(jì)電壓/頻率變換電路，可以利用集成芯片LM331來實(shí)現(xiàn)。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。LM331線性度較好，不需要運(yùn)放便可以實(shí)現(xiàn)電壓頻率轉(zhuǎn)換，而且變換精度高。關(guān)鍵詞：LM331；線性；電壓頻率轉(zhuǎn)換目 錄引言11 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求11.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容11.2 設(shè)計(jì)要求12 設(shè)計(jì)方案及方案確定12.1 設(shè)計(jì)方案12.1.1 兩種方案的設(shè)計(jì)12.1.2 方案確定12.4 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)22.5 總電路圖及其工作原理33 理論值的計(jì)算33.1 元器件的選擇與計(jì)算34 電路仿真44.1 仿真軟件44.2 仿真結(jié)果44.2.1 仿真電路圖設(shè)計(jì)44.2.2

2、 仿真數(shù)據(jù)記錄45 電路的調(diào)試65.1 調(diào)試使用的儀器65.2 數(shù)據(jù)記錄65.3 遇到的主要問題65.4 原因分析及解決措施65.5 調(diào)試電路板及波形75.5.1 調(diào)試電路板75.5.2 調(diào)試波形76 總結(jié)86.1 心得與體會(huì)8謝 辭8參考文獻(xiàn)8器件表8附圖9原理圖9PCB圖10引言在電壓頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)中，對(duì)芯片LM331的應(yīng)該是本電路設(shè)計(jì)的核心。通過對(duì)相關(guān)資料的查詢與王老師的指導(dǎo)，我利用LM331外接相關(guān)部分電路，設(shè)計(jì)了一個(gè)線性的電壓/頻率變換電路，輸入經(jīng)過低通濾波輸送入芯片，在芯片外部還應(yīng)接入充放電電路，用時(shí)間常數(shù)與芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)共同來控制電路工作。此電路滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，芯片的非線性失

3、真小，并且轉(zhuǎn)換精度高。1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容：線形電壓/頻率變換器1.2 設(shè)計(jì)要求1）要求將輸入電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的振蕩電路；2）當(dāng)輸入信號(hào)電壓在0V5V時(shí)，輸出振蕩的頻率為10HZ10KHZ；3）給定元件：LM331、運(yùn)放、電阻、電容。2 設(shè)計(jì)方案及方案確定2.1 設(shè)計(jì)方案 兩種方案的設(shè)計(jì) 方案一：利用積分電路和單穩(wěn)態(tài)電路組合夠成電壓/頻率變換器。原理框圖如圖1所示：電子開關(guān)積分器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器恒流源方案二：利用芯片LM331設(shè)計(jì)電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，輸入電壓通過濾波之后直接輸入芯片，在芯片外部接入由電容電阻所構(gòu)成充放電電路，就能夠組成電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，并且轉(zhuǎn)換精度較高。 方案

4、確定利用集成芯片LM331設(shè)計(jì)電壓/頻率變換電路所用元件較少，電路相對(duì)簡(jiǎn)單，而且轉(zhuǎn)換精度高，所以采用LM331設(shè)計(jì)電壓/頻率變換電路此方案。2.2 芯片的介紹LM331是當(dāng)前最簡(jiǎn)單的一種高精度V/F轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長(zhǎng)時(shí)間積分器以及其它相關(guān)的器件。LM331為雙列直插式8引腳芯片，其引腳框圖如圖2所示。輸入比較器 Q定時(shí)比較器+-RS觸發(fā)器精密電流電流開關(guān)基準(zhǔn)電路1235674VCC8圖2 LM331內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路LM331 各引腳功能說明:腳1為脈沖電流輸出端,內(nèi)部相當(dāng)于脈沖恒流源,脈沖寬度與內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路相同;腳2為輸出端脈沖電流幅度調(diào)節(jié),RS 越小,輸出電流越大;腳3

5、為脈沖電壓輸出端, OC 門結(jié)構(gòu),輸出脈沖寬度及相位同單穩(wěn)態(tài),不用時(shí)可懸空或接地;腳4為地;腳5為單穩(wěn)態(tài)外接定時(shí)時(shí)間常數(shù)RC ;腳6為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)脈沖輸入端,低于腳7電壓觸發(fā)有效,要求輸入負(fù)脈沖寬度小于單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖寬度Tw ;腳7為比較器基準(zhǔn)電壓,用于設(shè)置輸入脈沖的有效觸發(fā)電平高低;腳8為電源Vcc , 正常工作電壓范圍為440V。線性度好, 最大非線性失真小于0. 01 % , 工作頻率低到0.1Hz 而且有較好的線性;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變換電路,并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。2.4 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)輸出頻率LM331集成芯片輸入電壓低

6、通濾波充放電電路 2.5 總電路圖及其工作原理Ui8+5VVCCVCC123 fo564圖1 LM331內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路CtRs2RS觸發(fā)器精密電流電流開關(guān)基準(zhǔn)電路CL+-輸入比較器-定時(shí)比較器QR2R輸出驅(qū)動(dòng)復(fù)零晶體管7當(dāng)輸入端(7管腳) Ui輸入一正電壓時(shí)，輸入比較器輸出高電平，然后RS觸發(fā)器置位1，輸出高電平，輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，3管腳輸出端f0為邏輯低電平，同時(shí)電源Vcc也通過電阻Rt對(duì)電容Ct充電。當(dāng)電容Ct兩端充電電壓大于Vcc 的2/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出一高電平，使RS觸發(fā)器復(fù)位，輸出低電平，輸出驅(qū)動(dòng)管截止，輸出端f0為邏輯高電平,同時(shí),復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容Ct通過復(fù)零晶體管迅速放電；電

7、子開關(guān)使電容CL對(duì)電阻RL放電。當(dāng)電容CL放電。電壓u6等于輸入電壓Ui時(shí)，輸入比較器再次輸出高電平,使RS觸發(fā)器置位。如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。輸出脈沖頻率f0與輸入電壓Ui成正比，從而實(shí)現(xiàn)了電壓頻率的線性變換。通過查詢資料，發(fā)現(xiàn)其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為： 由式知電阻Rt、RL、Rs、和Ct 直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果fo，因此對(duì)元件的精度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電阻Ri和電容Ci組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。3 理論值的計(jì)算3.1 元器件的選擇與計(jì)算輸入管腳的電阻Ri和電容Ci組成低通濾波器電路，取值對(duì)電路影響不大，接地電容Ci取漏電流小的電容

8、器，可以取0.01uF，Ri取100k。RC回路的充電時(shí)間t由定時(shí)元件Rt 和Ct 決定，其關(guān)系是，典型值取Rt=6.8k，接地電容一般取Ct=0.01F，則t=7.5s。假設(shè)電容CL 的充電時(shí)間為t1，放電時(shí)間為t2，則根據(jù)電容CL 上電荷平衡的原理，我們有：從上式可得：式中Is由內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源供給的1.90V 參考電壓和2管腳的外接電阻Rs 決定，Is=1.90/Rs，改變Rs 的值，可調(diào)節(jié)電路的轉(zhuǎn)換增益。,t1=1.1Rt*Ct 代入上式輸出頻率fo與電壓ui成正比4 電路仿真4.1 仿真軟件Pfessional4.2 仿真結(jié)果 仿真電路圖設(shè)計(jì) 仿真數(shù)據(jù)記錄1）仿真圖

9、形及數(shù)據(jù)Ui=1V f=2.08 kHZUi=1.5V f=2.84 kHZUi=2V f=3.60 kHZUi=2.5V f=4.40 kHZUi=3V f=5.13 kHZUi=3.5V f=5.88 kHZUi=4V f=6.67 kHZUi=4.5V f=7.41 kHZUi=5V f=8.20 kHZUi=5.5V f=8.93 kHZ2）仿真數(shù)據(jù)電壓/V11.522.533.544.555.5頻率/kHZ2.082.835.886.677.418.28.935 電路的調(diào)試5.1 調(diào)試使用的儀器數(shù)字萬用表、穩(wěn)壓源、示波器等5.2 數(shù)據(jù)記錄電壓/V11.522.53

10、3.544.555.5頻率/kHZ2.683.925.236.457.879.1710.6411.8513.3714.715.3 遇到的主要問題 1）輸出波形不穩(wěn)定 2）當(dāng)輸入電壓Ui為5V時(shí)，輸出頻率為13.37kHZ,超過了10kHZ. 3) 輸入5V多，就出現(xiàn)了最大頻率5.4 原因分析及解決措施1） RC電路部分設(shè)計(jì)不合理，應(yīng)把CL電解電容換為0.01uF的瓷片電容。2） 2管腳接入的固定電阻阻值過大，Rs和fo是成正比的，可以適當(dāng)減小固定電阻阻值。 3） Rs接入電路阻值過大，導(dǎo)致芯片內(nèi)部電流太小，從而影響充電電壓最大值u6,間接影響輸入比較器的基準(zhǔn)電壓。這時(shí)可以把滑動(dòng)變阻器接入值相對(duì)

11、調(diào)小。5.5 調(diào)試電路板及波形 調(diào)試電路板 調(diào)試波形6 總結(jié)6.1 心得與體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì)，對(duì)電壓頻率之間的轉(zhuǎn)換有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，既增長(zhǎng)了自己的專業(yè)知識(shí)與理論水平同時(shí)也提升了自身的動(dòng)手能力。本課設(shè)是設(shè)計(jì)電壓頻率變換器，經(jīng)過多次調(diào)試測(cè)量與分析，發(fā)現(xiàn)集成芯片LM331穩(wěn)定性好，非線性失真小，并且轉(zhuǎn)換精度高。在做課設(shè)的過程中查閱了不少相關(guān)方面的書籍與查看了網(wǎng)上相關(guān)的經(jīng)典電路,發(fā)現(xiàn)電壓頻率變換電路的設(shè)計(jì)有不少方案，經(jīng)過向指導(dǎo)老師的請(qǐng)教以及和同學(xué)的多方研究，最終選定最佳方案。在調(diào)試過程中，通過測(cè)量與理論分析，得到了與題設(shè)所要求的結(jié)論，經(jīng)過多次調(diào)試加強(qiáng)了分析問題和解決問題的能力。使用計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件仿真

12、,驗(yàn)證了該電路的性能.仿真和實(shí)際調(diào)試有一定的誤差，通過調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)電路的不足之處，然后加之改正?？偟膩碚f,這樣的課程設(shè)計(jì)是很好的鍛煉機(jī)會(huì), 讓我對(duì)于課本上的知識(shí)有了更深的了解，對(duì)于知識(shí)，也更加形象化了。當(dāng)你發(fā)現(xiàn)自己所學(xué)到的知識(shí)真正的應(yīng)用于實(shí)踐中，就會(huì)感覺到很多莫大的欣慰與驚喜。謝 辭由衷地感謝王老師，王老師對(duì)我們的嚴(yán)格要求與耐心指導(dǎo)是我能出色完成此次課設(shè)的前提，同時(shí)也感謝對(duì)我提出寶貴意見或建議的同學(xué)！老師和同學(xué)們的幫助，讓我少走了很多彎路，順利完成課程設(shè)計(jì)?；蛟S這篇論文在業(yè)內(nèi)人士看來算不上佳作，可是這篇論文傾注了我的汗水和真誠，我還是希望它能成為一篇有價(jià)值，并有一定啟迪意義的論文，為大學(xué)生涯交

13、上一份滿意的一份答卷！參考文獻(xiàn) 1 先鋒工作室1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)例M 1 清華大學(xué)出版社,2003, 11 2 李華, 孫曉民1MCS251 系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)M 1 北京航空航天大學(xué)出版社, 20021 3 林漢1LM 331 壓頻轉(zhuǎn)換器的原理及應(yīng)用J 1 國外電子元器件, 1999, 101 4 曾新民, 曾天劍1 運(yùn)算放大器應(yīng)用手冊(cè)M 1 電子工業(yè)出版社, 1990, 31 5 胡乾斌, 李玲1 單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用M 1 華中理工大學(xué)出版社, 19961 6 李華,孫曉民.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社.2002. 7 胡乾斌，李玲. 單片微型計(jì)算機(jī)原理