LM331压频转换课程设计论文

1、课程设计(论文)说明书设计课题： 线性电压/频率变换器 院 （系）： 电子工程与自动化 专 业： 测控技术与仪器 学生姓名： 李金鹏 学 号： 0900820214 指导教师： 王 月 娥 2012年1月11日摘 要设计电压/频率变换电路，可以利用集成芯片LMx31 来实现。其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。LMx31 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。利用专业的设计和仿真软件（如Proteus），设计并仿真U/F 变换电路。关键词：V/F转换器；LM331芯片；高精度；外围电路；线性度； AbstractThi

2、s task is to design a line voltage/frequency converter , it mainly constitute by the LM331 chip and its external circuit, realizing the input voltage converted into a certain frequency of the oscillating circuit, it has good linearity and higher conversion precision . Key words：V/F convertor;LM331 c

3、hip; High precision; External circuit; Linearity； 目 录引言31 设计任务41.1 任务说明41.2 任务分析42 设计方案选择及论证52.1 方案一：采用555定时器组成的压频转换电路52.2 方案二：直接由LM331及其外围电路构成压频转换器62.3 方案比较和选择63 电路设计原理、参数计算及测量结果比较73.1 芯片LM331的介绍73.2 LM331组成的压频转换器及其工作原理83.3protel绘制原理图、器件选择及参数计算103.4 电路仿真113.5 实际电路板测量与数据整理133.6 本次课题的结果及结论154 组装调试154

4、.1 电路设计的中遇到的问题与解决方法154.2 实物图165 课设总结16谢 辞17附件一18附件二19附件三19参考文献20引言随着电子技术和计算机技术的迅速发展，集成的电压频率变换电路在电子技术、自动控制、数字仪表、通信设备、调频、锁相和模数变换等许多领域得到广泛的应用。电压/频率变换电路简称U/F 变换电路或者U/F 变换器（UFC）。模拟电压变换成频率转换以后，其抗干扰能力增强了，因此尤其适用于遥控系统、干扰较大的场合和远距离传输等方面。此次设计用LM331设计组成一个将输入电压转换成一定的频率的振荡电路通过不断仿真与调试后达到了设计的指标要求，且该电路稳定，具有较高的转换精度和良好

5、的线性度。1 设计任务1.1 任务说明本次课题主要是压频转换电路的设计，通过完成此次的设计课题理解压频转换电路的原理、理解LM331的应用。要求输出波形良好的在示波器上显示出来，并且输出频率和输入电压有良好的线性关系。1.2 任务分析设计一个压频转换电路，其具体指标要求如下：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02V时，输出振荡的频率为1010KHZ3） 输入电压和输出频率之间有良好的线性关系4） 给定元件：LM331、电阻、电容、精密电位器2 设计方案选择及论证2.1 方案一：采用555定时器组成的压频转换电路图2.1 555压频转换电路采用集成时基电路555构

6、成的压频转换电路，IC运算放大器接成同相放大器，其放大倍数，其放大量由K，K来控制。IC与C、C、RP等构成有源积分电路，当积分电压下降至555触发电平（<V）时，555置位。同时，VT导通，积分电容迅即放电，积分电压V通过R对C充电，当C上电压升高至V时，555复位，形成震荡。因此，输出电压转换成一定频率的震荡波。当输入信号电压在0-2V时，输出震荡的频率为10H-10KH2.2 方案二：直接由LM331及其外围电路构成压频转换器图2.2 LM331压频转换电路下图所示即为LM331及其外围电路组成的压频转换器。其中每个管脚元器件的连接都是典型的电路连接，如管脚为一个低通的RC滤波电路

7、；、管脚相连，并连接一个RC电路；管脚为一个RC的充电电路；管脚接工作电压，管脚为输出且并联一个上拉电阻。2.3 方案比较和选择方案一中，要使用芯片555，要实现压频转换基本要四部分组成。首先利用运放设计积分电路，目的是为了电容的充放电。将其连接到由555都构成的单稳态电路上，利用三极管的导通和截止构成电子开关控制恒流源。这个方案用了很长的时间在各个模块的连接上，但是最后还是不能得到实验的线性要求。方案二中，用集成的芯片LM331使实验变得简单，直接解决了单稳态电路、电子开关、恒流源的连接的设计。直接由LM331及其外围的典型电路关系，即可简便的组成一个V/F转换电路，能够达到本次课题的要求，

8、又能提高资源的利用率，因此本次课题，选择方案三。运用LM331实现压频转换，具有电路简单，成本低廉，测量精度高并且转换位数可调的特点，在实际工作之前，对电路器件参数进行调校，调校之后，系统稳定性好。3 电路设计原理、参数计算及测量结果比较3.1 芯片LM331的介绍图3.1 LM331的电路内部结构框图LMx31 系列芯片是集成的U/F,F/U 变换器，包括LM131ALM131、LM231ALM231、LM331ALM331 等。这类集成芯片的性价格比较高。LM131/231/331 内部具有新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和电源电压低到4.0V 时，也具有极高的精度，能满足1

9、00kHz 的UF 转换所需要的高速响应，其内部精密定时电路具有低的偏置电流，高压输出可达40V，可防止+ V 端的短路，另外其输出可驱动3 个TTL 负载。这类器件常常应用于AD 转换、精密FU 转换、长时间积分、线性频率调制和解调、数字系统、计算机应用系统等方面。(1)器件性能特点如下：最大线性度：001。双电源或单电源工作（单电源可以在5V 以下工作）。脉冲输出与所有逻辑形式兼容。最佳温度稳定性：最大值为±50×10-6/ºC。小功耗：5V 以下典型值为15mW。宽的动态范围：10kHz 满量程频率下最小值为100dB。满量程频率范围：1Hz100kHz(2

10、)LM331内部输入比较电路 定时比较电路 R-S触发电路 复零晶体管 输出驱动管 能隙基准电路 精密电流源电路 电流开关 输出保护电路等部分(3)LM331芯片的引脚简介：引脚为电流源输出端，在fo（引脚三）输出逻辑低电平时，电流源输出对电容充电。引脚为增益调整，改变管脚所接电阻的值可调节电路转换增益的大小。引脚为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由管脚所接t和t决定。引脚为电源地。引脚为定时比较器正相输入端。引脚为输入比较器反相输入端。引脚为输入比较器正相输入端。引脚为电源正端。3.2 LM331组成的压频转换器及其工作原理刚接电源时C和C两个电容上没有电压，若输入控制电压Vi为大于零的值

11、,则比较器C的输出1，而比较器C的输出0，锁存器被置成Q=1状态。Q端得高电平使与T导通，V=0。同时镜像电流源输出端开关S接到引脚1一边，电流I向C开始充电。而Q的低电平使T截止，所以C也同时开始充电。当C的电压上升到2/3Vcc时，锁存器被置成Q=0，T截止，V=1.同时开关转接到地，C开始向R放电。而Q变成高电平后使T导通，C通过T迅速放电至V=0,并使比较器C输出为0。当C放电到V<Vi时，比较器C输出为1，重新将锁存器置成Q=1，于是V又跳变成低电平，C和C开始充电，重复上面的过程。如此反复，便在V端得到矩形输出波形。根据每个震荡周期中C的充电电荷与放电电荷守恒，据此就可以计算

12、震荡震荡频率了。首先计算C的充电时间T.它等于Q=1的持续时间，也就是电容C上的电压从0充电到2/3Vcc的时间，故得T1=RCln= RCln3=1.1 RCC在充电期间获得的电荷为Q=（）T=（）T，式中的为流过电阻R上的电流。若震荡周期为T、放电时间为T，则T=T- T。又知Cl的放电电流为=，又因放电期间Cl释放的电荷为 Q= T =（T- T） 根据Q1与Q2相等，即得到 （）T=（T- T） T=故电路的震荡周期为 f= 将、T=1.1 RC代入上式而且知道=1.9V，故得到 f=3.3 protel绘制原理图、器件选择及参数计算图3.2 压频转换原理图有上图可以看出，其中管脚的R

13、C滤波器中，因为通过仿真结果得当R1改变时，对输出波形频率不影响，因此R1选择100K，这将抵消6管脚失调电流所起的作用，有助于获得最小频偏。Rs =50k的电位器和R6 = 5k，作用是调节增益偏差和由RL、Rt、Ct引起的偏差，以及校正输出频率。电路中47电阻和1uF电容C产生迥差效果有助于输出比较器获得更加的线性度。理论计算：当R=50K R=4.8K时，Vi=0V时， 计算得 f=0 H； Vi=0.5V时， 计算得f=2500 HVi=1V时， 计算得f=5000 H； Vi=1.5V时， 计算得f=7500 HVi=2V时， 计算得f=10K H3.4 电路仿真图3.3 仿真电路图

14、 由上图可知，仿真时工作电压V=15V，其他参数如原理图相同，滑动变阻器R5调至90%，误差减小到最佳，滑动变阻器调至89%，即=44.5K，滑动变阻器调至48%，即=4.8K。调节输入电压，记录波形和输出频率，如下：当Vi=0V时，f=8H，仿真数据与理论数据基本相符；图3.4 仿真波形数据图1当Vi=0.5V时，f=2514 H，仿真数据与理论数据基本相符；图3.5 仿真波形数据图2当Vi=1V时，f=5017 H，仿真数据与理论数据基本相符；图3.6 仿真波形数据图3当Vi=1.5V时，f=7524 H，仿真数据与理论数据基本相符；图3.7 仿真波形数据图4当Vi=2V时，f=10.03

15、 KH，仿真数据与理论数据基本相符；图3.8 仿真波形数据图53.5 实际电路板测量与数据整理图3.9 实际电路板调试时的波形实际测量值：输入电压/Vi00.20.40.60.8输出频率/fo0.1151.252.333.454.57输入电压/Vi1.01.21.41.61.82.0输出频率/fo5.686.757.888.99.910.91仿真理论值：输入电压/Vi00.20.40.60.8输出频率/fo0.0081.012.013.024.02输入电压/Vi1.01.21.41.61.82.0输出频率/fo5.026.027.028.039.0310.03由以上两个表格绘制出V-F关系图如

16、下：图3.10 压频转换关系图3.6 本次课题的结果及结论由前面所列举的图形可知，该电路可以实现压频转换，得到频率，频率随电压变化而变化，且频率稳定。由以上的V-F关系图得出：压频转换电路能将输入电压转换成一定的频率，且输入电压Vi与输出频率fo成良好的线性关系。 4 组装调试4.1 电路设计的中遇到的问题与解决方法 这个课设的题目时我首先想到了用555构成单稳态组成电压频率变换电路，课设每个模块根据原理设计好了，最后的难点把我难住了不知道怎么把个个模块连接起来做成电路，设计了几种最后的仿真波形还是不理想。时间的关系不得以最后放弃这种方法，这次我利用集成芯片LM331构成压频转换，这样就是电路

17、变得简单。做好调试前的各种准备，在焊接之前，先用万用表对印制好的板子检查，电路板上的电路是否所有都导通，是否有虚焊的现象，这是我就发现滑动变阻器PCB上的封装和实物元器件不对应，这时最好的办法就是把实物滑动变阻器关键翻折对调一下，目的是让它对应PCB图管脚。在连接好电路后，打开所有电源发现没有波形显示此种情况，尝试调节两个滑动变阻器，能解决这种现象。且在调节滑动变阻器时，不宜太用力也不宜太快，否则会把元器件弄坏而不能工作。 在调试过程中波形变化很大时可能因为LM331的工作电压低于5V，要保持工作电压不变的情况下测量数据，且不宜用比5V小的工作电压，所以我选择了15V。当我发现充电时间和放电时

18、间变化很大，改变R阻值即可改变充电时间是波形更加理想。4.2 实物图 图4.1 实物电路板（正） 图4.2 实物电路板（反）5 课设总结本次实验设计，不仅仅的是单纯的课程设计，更让我对深刻的认识到了课本知识的重要性，也让我更加了解了课本的知识，特别是LM331系列芯片以及各种工具软件的使用。如果纯粹地追求科本，死记硬背，不灵活将知识搬到实际生活中，那么这样的学习是毫无价值和意义的。理论上的东西似乎都能很好的理解，一旦真正的应用于实践中，就会产生很多意想不到的问题。本次实验利用单片机模拟仿真软件Proteus 进行U/F 变换器的设计与仿真。LM331其系列芯片是集成的U/F,F/U 变换器，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。本设计实验就是利用LM331系列芯的这些优点来实现电压/频率的变换。通过本次实验，不仅仅让我有效地将课本所学的知识应用于实践，达到了学以致用的目的，而且在设计的过程中，使自己在学习新知识发现问题解决问题等方面得到了很好的锻炼，为以后的学习和工作打下了良好的基础。总而言之，虽然本次实验设计耗费了我大量的时间，但是确实给我带来了不少收获，觉得这样的课程设计是挺有意义的。谢 辞 本次课程设计在王月娥