压频转换电路课设论文.docx
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压频转换电路课设论文
摘要
设计电压/频率变换电路，可以利用集成芯片LM331来实现。
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。
LM331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。
关键词：
LM331；线性；电压频率转换
目录
引言1
1设计任务及要求1
1.1设计内容1
1.2设计要求1
2设计方案及方案确定1
2.1设计方案1
2.1.1两种方案的设计1
2.1.2方案确定1
2.4系统框图设计2
2.5总电路图及其工作原理3
3理论值的计算3
3.1元器件的选择与计算3
4电路仿真4
4.1仿真软件4
4.2仿真结果4
4.2.1仿真电路图设计4
4.2.2仿真数据记录4
5电路的调试6
5.1调试使用的仪器6
5.2数据记录6
5.3遇到的主要问题6
5.4原因分析及解决措施6
5.5调试电路板及波形7
5.5.1调试电路板7
5.5.2调试波形7
6总结8
6.1心得与体会8
谢辞8
参考文献8
器件表8
附图9
原理图9
PCB图10
引言
在电压频率转换电路的设计中，对芯片LM331的应该是本电路设计的核心。
通过对相关资料的查询与王老师的指导，我利用LM331外接相关部分电路，设计了一个线性的电压/频率变换电路，输入经过低通滤波输送入芯片，在芯片外部还应接入充放电电路，用时间常数与芯片内部结构共同来控制电路工作。
此电路满足设计指标要求，芯片的非线性失真小，并且转换精度高。
1设计任务及要求
1.1设计内容
设计内容：
线形电压/频率变换器
1.2设计要求
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0V——5V时，输出振荡的频率为10HZ——10KHZ；
3）给定元件：
LM331、运放、电阻、电容。
2设计方案及方案确定
2.1设计方案
2.1.1两种方案的设计
方案一：
利用积分电路和单稳态电路组合够成电压/频率变换器。
原理框图如图1所示：
方案二：
利用芯片LM331设计电压/频率转换器，输入电压通过滤波之后直接输入芯片，在芯片外部接入由电容电阻所构成充放电电路，就能够组成电压频率转换电路，并且转换精度较高。
2.1.2方案确定
利用集成芯片LM331设计电压/频率变换电路所用元件较少，电路相对简单，而且转换精度高，所以采用LM331设计电压/频率变换电路此方案。
2.2芯片的介绍
LM331是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。
LM331为双列直插式8引脚芯片，其引脚框图如图2所示。
LM331各引脚功能说明:
脚1为脉冲电流输出端,内部相当于脉冲恒流源,脉冲宽度与内部单稳态电路相同;脚2为输出端脉冲电流幅度调节,RS越小,输出电流越大;脚3为脉冲电压输出端,OC门结构,输出脉冲宽度及相位同单稳态,不用时可悬空或接地;脚4为地;脚5为单稳态外接定时时间常数RC;脚6为单稳态触发脉冲输入端,低于脚7电压触发有效,要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw;脚7为比较器基准电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低;脚8为电源Vcc,正常工作电压范围为4～40V。
线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1Hz而且有较好的线性;变换精度高，数字分辨率可达12位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F变换电路,并且容易保证转换精度。
2.4系统框图设计
2.5总电路图及其工作原理
当输入端（7管脚）Ui输入一正电压时，输入比较器输出高电平，然后R－S触发器置位1，输出高电平，输出驱动管导通，3管脚输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。
当电容Ct两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通，电容Ct通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容CL对电阻RL放电。
当电容CL放电。
电压u6等于输入电压Ui时，输入比较器再次输出高电平,使R－S触发器置位。
如此反复循环，构成自激振荡。
输出脉冲频率f0与输入电压Ui成正比，从而实现了电压－频率的线性变换。
通过查询资料，发现其输入电压和输出频率的关系为：
由式知电阻Rt、RL、Rs、和Ct直接影响转换结果fo，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。
电阻Ri和电容Ci组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。
3理论值的计算
3.1元器件的选择与计算
输入管脚的电阻Ri和电容Ci组成低通滤波器电路，取值对电路影响不大，接地电容Ci取漏电流小的电容器，可以取0.01uF，Ri取100k。
RC回路的充电时间t由定时元件Rt和Ct决定，其关系是
，
典型值取Rt=6.8kΩ，接地电容一般取Ct=0.01μF，则t=7.5μs。
假设电容CL的充电时间为t1，放电时间为t2，则根据电容CL上电荷平衡的原理，我们有：
从上式可得：
式中Is由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和2管脚的外接电阻Rs决定，Is=1.90/Rs，改变Rs的值，可调节电路的转换增益。
t1=1.1Rt*Ct
代入上式
输出频率fo与电压ui成正比
4电路仿真
4.1仿真软件
Proteus.professional
4.2仿真结果
4.2.1仿真电路图设计
4.2.2仿真数据记录
1）仿真图形及数据
Ui=1Vf=2.08kHZ
Ui=1.5Vf=2.84kHZ
Ui=2Vf=3.60kHZ
Ui=2.5Vf=4.40kHZ
Ui=3Vf=5.13kHZ
Ui=3.5Vf=5.88kHZ
Ui=4Vf=6.67kHZ
Ui=4.5Vf=7.41kHZ
Ui=5Vf=8.20kHZ
Ui=5.5Vf=8.93kHZ
2）仿真数据
电压/V
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
频率/kHZ
2.08
2.84
3.6
4.4
5.13
5.88
6.67
7.41
8.2
8.93
5电路的调试
5.1调试使用的仪器
数字万用表、稳压源、示波器等
5.2数据记录
电压/V
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
频率/kHZ
2.68
3.92
5.23
6.45
7.87
9.17
10.64
11.85
13.37
14.71
5.3遇到的主要问题
1）输出波形不稳定
2）当输入电压Ui为5V时，输出频率为13.37kHZ,超过了10kHZ.
3）输入5V多，就出现了最大频率
5.4原因分析及解决措施
1）RC电路部分设计不合理，应把CL电解电容换为0.01uF的瓷片电容。
2）2管脚接入的固定电阻阻值过大，Rs和fo是成正比的，可以适当减小固定电阻阻值。
3）Rs接入电路阻值过大，导致芯片内部电流太小，从而影响充电电压最大值u6,间接影响输入比较器的基准电压。
这时可以把滑动变阻器接入值相对调小。
5.5调试电路板及波形
5.5.1调试电路板
5.5.2调试波形
6总结
6.1心得与体会
通过本次课程设计，对电压频率之间的转换有了进一步的认识，既增长了自己的专业知识与理论水平同时也提升了自身的动手能力。
本课设是设计电压频率变换器，经过多次调试测量与分析，发现集成芯片LM331稳定性好，非线性失真小，并且转换精度高。
在做课设的过程中查阅了不少相关方面的书籍与查看了网上相关的经典电路,发现电压频率变换电路的设计有不少方案，经过向指导老师的请教以及和同学的多方研究，最终选定最佳方案。
在调试过程中，通过测量与理论分析，得到了与题设所要求的结论，经过多次调试加强了分析问题和解决问题的能力。
使用计算机相关软件仿真,验证了该电路的性能.仿真和实际调试有一定的误差，通过调试可以发现电路的不足之处，然后加之改正。
总的来说,这样的课程设计是很好的锻炼机会,让我对于课本上的知识有了更深的了解，对于知识，也更加形象化了。
当你发现自己所学到的知识真正的应用于实践中，就会感觉到很多莫大的欣慰与惊喜。
谢辞
由衷地感谢王老师，王老师对我们的严格要求与耐心指导是我能出色完成此次课设的前提，同时也感谢对我提出宝贵意见或建议的同学！
老师和同学们的帮助，让我少走了很多弯路，顺利完成课程设计。
或许这篇论文在业内人士看来算不上佳作，可是这篇论文倾注了我的汗水和真诚，我还是希望它能成为一篇有价值，并有一定启迪意义的论文，为大学生涯交上一份满意的一份答卷！
参考文献
[1] 先锋工作室1单片机程序设计实例[M]1清华大学出版社,2003,11
[2] 李华,孙晓民1MCS251系列单片机实用接口技术[M]1北京航空航天大学出版社,20021
[3] 林汉1LM331压频转换器的原理及应用[J]1国外电子元器件,1999,101
[4] 曾新民,曾天剑1运算放大器应用手册[M]1电子工业出版社,1990,31
[5]胡乾斌,李玲1单片微型计算机原理与应用[M]1华中理工大学出版社,19961
[6]李华,孙晓民.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社.2002.
[7]胡乾斌，李玲.单片微型计算机原理与应用.华中理工大学出版社.1996.
[8]阎石.数字电子技术基础.清华大学出版社.1999.
器件表
《课程设计1》元器件清单示例
学号：
*****姓名：
***
课题：
线性电压—频率转换器
序号
名称
数量
单价
备注
1
LM331
1
2
电阻100k
2
3
电阻47
1
4
电阻10k
1
5
电阻6.8k
1
6
电阻21k
1
7
50K精密电位器
1
8
电容0.01uf
3
9
8管脚底座
1
DIP8
10
1*40圆针排针
1
11
合计
附图
原理图
PCB
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