模电课设频率电压转换器电路.docx
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模电课设频率电压转换器电路
一.电路设计1
1.1设计方案选择1
1.2电路主要框图1
1.3设计1
1.4电路原理2
二.部分电路设计2
2.1比较器2
2.2频率-电压转化器4
2.3反相器7
2.4反相加法器8
3.总体电路图10
4.测试数据11
5.心得体会及问题11
5.1心得11
5.2问题及不足12
6.元件清单13
7.所用器件介绍13
7.1比较器LM33913
7.2F/V转换器LM33116
7.3反相器/反相加法器OP0718
.电路设计
1.1设计方案选择
本组本次设计共有两个供选方案。
1）用通用型运算放大器构成微分器，其输出与输入的正弦波与频率成正比。
2）直接应用频率电压转换变换专用集成块LM331其输出与输入的脉冲信号重复成正比。
因为方案二的性价比更高，所以选择第二种方案。
1.2电路主要框图
参考电压
1.3设计
（1）本次设计函数发生器采用实验台的函数波形发生器。
确定可调范围设在400Hz一4000Hz,在调试过程中，挑选中间的几个值进行测试。
（2）比较器选集成电路LM339使由函数信号发生器产生的正弦波转化为方波。
（3）F/V变换采用集成块LM331构成的典型电路。
通过参考书和报告上的
指导书确定相关参数，测定输出的电压范围在0.4-4V
（4）反相器采用比例为-1，通过集成芯片OP07实现。
（5）反相加法器同样用芯片OP07实现，通过调节VR的大小。
使输出的电压在2-10V。
1.4电路原理
频率-电压转换器电路是由比较器，F/V变换器，反相器和反相加法器组成，在各集成电路接通电源正常工作的情况下，输入正弦信号，通过比较器电路将正弦信号转换为方波信号后输出，然后再由F/V转换器电路将方波转换为所需要的直流电压信号后输出，反相器电路将输入进来的直流信号转换为原来的反相电压信号输出，输出信号和参考电压VR—起组成加法运算的两个输入电压信号，通过加法运算电路的功能和调节参考电压的大小输出满足条件的直流电压信号。
二.部分电路设计
2.1比较器
2.1.1电路图
由于本次比较器的作用只是将输入的正弦信号转换为方波信号，所以可以选用最简单的过零比较器实现这一目标，电路图如图所示：
2.1.2工作原理
比较器是一种用来比较输入信号Vi和参考电压VREF的电路。
而输入信号
Vi则加在远算放大器的同相输入端。
这时，运放处于开环工作状态，具有很高
的开环电压增益。
当输入信号Vi小于0时，运放将处于负饱和状态，VO=VO；当输入信号Vi升高至大于0时，运放处于正饱和状态，VO=VQH当Vi在参考电压VREF附近有微小的减小时，输出电压将从正的饱和值VOH±渡到负的饱和值VOL若有微小的增加，输出电压又将从负的饱和值VOL过渡到正的饱和值VOH。
2.2频率-电压转化器
221LM331内部原理图
引脚说明
①脚是输出端（恒流源输出）
6脚为输入端（输入脉冲链）
7脚接比较电平。
2.2.2LM331工作原理
当输入负脉冲到达时，由于⑥脚电平低于⑦脚电平,所以S=1高电平），Q=0
（低电平）。
此时放电管T截止，于是G由Vcc经R充电，其上电压Vet按指数规律增大。
与此同时，电流开关S使恒流源I与①脚接通，使Cl充电，VCL按线性增大（因为是恒流源对Cl充电）。
经过1.1RC的时间，VCt增大到2/3Vcc时，贝UR有效（R=1,S=0，Q=0,
G、CL再次充电。
然后，又经过1.1RC的时间返回到C、CL放电。
以后就重复上面的过程，于是在RL上就得到一个直流电压Vo（这与电源的整流滤波原理类似），并且Vo与输入脉冲的重复频率fi成正比。
CL的平均充电电流为iX（1.1RtCt）xfi
Cl的平均放电电流为Vo/Rl
当Cl充放电平均电流平衡时，得：
Vo=lX（1.1RC）XfiXRl
式中I是恒流电流，l=1.90V/Rs
式中1.90V是LM331内部的基准电压（即2脚上的电压）。
于是得：
Rl
Vo2.09-RtCtfi
Rs
可见，当Rs、Rt、Ct、RL一定时，Vo正比于fi,显然，要使Vo与fi之间的关系保持精确、稳定，则上述元件应选用高精度、高稳定性的。
对于一定的fi,要使Vo为一定植，可调节Rs的大小。
恒流源电流I允许在
10A~500A范围内调节，故Rs可在190kQ~3.8kQ范围内调节。
一般RS在10kQ左右取用
222LM331外接电路
在此，Vcc=12V
所以
FX=50爆
R
Vo2.09-RtCtfi
Rs
Rs=14.2
则Vo=fiX10-V由此得Vo与fi在几个特殊频率上的对应关系如下表所示。
Vo和fi的关系
Fi（Hz）
400
800
2000
3000
4000
Vo（V）
0.4
0.8
2.0
3.0
4.0
2.3反相器
231反相器电路图
232工作原理及参数计算
因为都是直接耦合，为减小失调电压对输出电压的影响，所以运算放大器采用低失调运放OP07。
由于LM331的负载电阻RL=100kQ（见图5-1-3）,所以反相器的输入电阻应为100kQ,因而取RL=100kQ0
反相器的Au=-1,
所以R4=RL=100kQ
平衡电阻R5=R/R4=50kQ取R5=51kQ。
2.4反相加法器
241反相加法器电路图
2.4.2工作原理及参数计算
已知Vo3=-Vo2=-fiX10-3V
R103R10.
-Vo—fi10—Vr
R6R9
技术要求
fi=400Hz时，Vo=2V
fi=4000Hz时，Vo=10V
即Vo二（10/9+fi/450）V
对照⑴式和⑵式，可见应有一（R10/R9XVr=10/9
若取R10=R9=20kQ,贝UVr=-10/9V
R10
R6
fi
103
fi
450
Rs=9kQ，取Rs=9.1kQ。
平衡电阻Rii~Rio//R6//R9=4.7kQ0
2.4.3Vr值的获取
为了保证Vr的值直接从-12v引入如图：
Vr二{（F8//R9）/[Rw2+F7+（F8//R9）]}x12=10/9若取Rs=1kQ,R3=20kQ，则R3〃R9=0.952kQ则Rz=9.33kQ,RW=0
取R7=9.1kQ
3.总体电路图
4.测试数据
fi（Hz）
V01
V02
Vo
400
-0.4
0.42
1.99
800
-0.81
0.85
2.89
1200
-1.22
1.27
3.77
2000
-2.02
2.11
5.55
2500
-2.53
2.64
6.66
3000
-3.04
3.26
7.77
4000
-4.04
4.20
9.98
5.心得体会及问题
5.1心得
毫无疑问，大二的学习生活远比大一时来的丰富的多。
课堂上我们不仅学到了与专业相关的理论知识。
在课后，我们还有电路实验、模电实验、电工实习这样的课程来提高我们的动手能力以及实际操作能力.
而此次课程设计为我们将学到的专业基础理论知识用到实践中去提供了良好的实践平台。
在做本次课程的过程中，通过学习、设计、仿真、完善设计，使我受益匪浅.此次课程设计，不仅让我更加熟悉书本上的知识，将知识更加系统化,将自己学过的知识联系在实际中，解决一些日常生活中需要解决的问题，做到了真正的理论联系实际，在课程设计中，我第一次独立自主的查资料，设计电路,仿真等,学到了无法从课本上学到的知识，增强了自己的动手能力，还丰富了眼界，增强了自我的创新能力，和面对问题解决问题的能力。
通过此次课程设计，使得我第一次全面地接触自己本专业的知识，使得我认识
到自己专业的专业知识,为自己日后的学习打好了基础。
一周的模拟电子技术课程设计，让我懂得要设计一个成功的电路，必须要有耐心、毅力以及细心，当然有了这些还不够，我们还需要查阅相关资料。
课程设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。
总体来说，这次实习我受益匪浅。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。
在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。
这次课程设计就像以往的电工实习一样，完全是先个人独立去思考，独立动手去做，然后再去和大家讨论。
这使得我们在完善自身的同时，也培养了团队精神。
5.2问题及不足
1.硬件焊接过程中，没有接入电位器，而是直接通过计算，取近似的电阻进行了替换，虽然实验最终误差不大，但是仍旧限制了电路板的灵活性。
2.使用proteus模拟仿真时，按照所涉及的电路图进行连线仿真时发现所要求的数值始终只有计算值的一半左右大小，但是实际焊接电路却没有出现问题，所以，为解决仿真中出现的问题，在仿真中又加入了一个由UA741构成的电压放大器。
3.由于焊接工艺工艺及焊接手法的不熟练，所以电路板最后成品外观不是很好，同时由于没有焊接上香蕉头，使得电路板在调试时，偶尔会出现接触不良的现象。
6•元件清单
编号
元件/型号
数量
编号
元件/型号
数量
1
LM339
1
8
电阻51K
2
2
LM331
1
9
电阻15K
1
3
OP07
2
10
电阻6.8K
1
4
电容470pf
1
11
电阻100K
3
5
电容0.01uf
1
12
:
电阻4.7K
1
6
电容10uf
1
13
电阻9.1K
2
7
电阻10K
2
14
电阻20K
3
7.所用器件介绍
7.1比较器LM339
7.1.1LM339特点参数
1）电压失调小，一般是2mV;
2）共模范围非常大，为0v到电源电压减1.5v;
3）他对比较信号源的内阻限制很宽；
4）LM339vcc电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为土1V-±18V;
5）输出端电位可灵活方便地选用。
6）差动输入电压范围很大，甚至能等于Vcc；
7.1.2
LM339引脚图
7.1.3LM339引脚配置
引脚
符号
功能
1
OUTPUT2
输出端2
2
OUTPUT1
输出端1
3
V+
电源正
4
INPUT1-
反相输入端1
5
INPUT1+
同相输入端1
6
INPUT2-
反相输入端2
7
INPUT2+
同相输入端2
8
INPUT3-
反相输入端3
9
INPUT3+
同相输入端3
10
INPUT4-
反相输入端4
11
INPUT4+
同相输入端4
12
GND
电源地
13
OUTPUT4
输出端4
14
OUTPUT3
输出端3
7.1.4LM339内部功能
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：
1）失调电压小，典型值为2mV;2）电源电压范围宽，单电源为2-36V,双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出
端电位可灵活方便地选用。
LM339集成块采用C-14型封装，外型及管脚排列如图。
由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。
LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。
用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。
7.1.5LM339内部原理图
V*
OUTPUT
7.2F/V转换器LM331
7.2.1LM331引脚图
-vs
COMPARATOR
IHPUT
—THKESHOLOD
5
—R/C
CURRENTi
OUTPUT—
REFEBINCE2
CURRENT一
FREQUEKCT_3
OUTPUT—
GND—
LM331
722LM331引脚配置图
引脚号
引脚名
功能
1
CurrentOutput
电流输出
2
RefCurrent
基准电流
3
FrequencyOutput
频率输出
4
GND
接地
5
R/C
接RC定时电路
6
Thresholod
阈值
7
ComparatorInput
比较输入
8
VS
电源
723LM331内部功能
LM331的内部电路组成由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTLDTL和CMOS等不同的逻辑电路。
LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0〜40V之间，输出可高达40V,而且可以防止Vcc短路。
724
LM331内部原理图
7.3反相器/反相加法器OP07
7.3.1OP07引脚图
7.3.2OP07引脚配置说明
1和8为偏置平衡（调零端）,2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5
空脚6为输出，7接电源+ABSOLUTEMAXIMUMRATING最大额定值。
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