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类型基于LM331的电压频率转换系统设计.doc

  • 上传人:精品资料
  • 文档编号:9071012
  • 上传时间:2019-07-22
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    基于LM331的电压频率转换系统设计.doc
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    1、目 录0 前言 .11 总体方案设计 .22 硬件电路设计 .22.1 利用 LM331 实现电压频率转换电路设计 22.1.1 利用 LM331 实现电压/频率转换原理 .32.1.2 理论值的计算 43 软件设计 .54 调试分析 .54.1.1 仿真数据记录 .64.1.2 遇到的主要问题 84.1.3 原因分析及解决措施 84.1.4 利用单片机对频率进行计数并通过数码管显示 .85 结论及进一步设想 .9参考文献 .9课设体会 .10附录 1 电路原理图 11附录 2 程序清单 12附录 3 元器件清单 14基于 LM331 的 V/F 转换系统第 0 页基于 LM331 的 V/F

    2、 转换系统摘要:本文设计了一种基于 LM331 的 V/F 转换系统,主要由两部分组成:电压频率转换部分及频率计数显示部分,主要使用了 LM331 芯片及 AT89C52 单片机。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:电压频率转换 ;计数 ;LED 数码管显示0 前言1. LM331 是一种非常理想的精密电压/频率转换器,可用于制作简洁、低成本的模数转换器,特长积分周期的数字积分器,线性频率调制与解调及其

    3、其他各种功能电路。当作为压/频转换器使用时,其输出脉冲链的频率精确地与输入端施加的电压成比例变化,体现了压/频转换器的特有的优势,LM331 可以达到很高的精度 -温度稳定性。2. 能达到的设计要求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 0V5V 时,输出振荡的频率为 10HZ10KHZ;3)给定元件:LM331、运放、电阻、电容。3. 通过查询图书馆资料及网络资料有两种方案可以进行比较。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:积分器 单稳态触发器恒流源图 1 原理框图方案二:利用芯片 LM331 设计电压/频率转换器,输入

    4、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。电子开关基于 LM331 的 V/F 转换系统第 1 页1 总体方案设计针对本课题的设计任务,进行分析得利用集成芯片 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,该 V/F 转换器的设计,在总体上大致可分为以下 2 个部分组成:电压/频率转换部分,频率计数显示部分。系统原理框图如图 1 所示。图 2 系统原理框图2 硬件电路设计2.1 利用 LM331 实现电压频率转换电路设计图 3 LM331 芯

    5、片LM331 内部由输入比较器、定时比较器、RS 触发器、输出驱动、基准电路等组成。各引脚作用:脚 1: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:输出端脉冲电流幅度调节,Rs 越小,输出电流越大。脚 3: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。单片机输入电压 低通滤波 LM331 输出频率 数码管充放电路基于 LM331 的 V/F 转换系统第 2 页脚 4:接地。脚 5:单稳态外接定时时间常数 RC。脚 6: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:比较器基准

    6、电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低。脚 8:电源 Vcc。LM331 的特点:具有最大 0.01%的线性度改进的电压/频率转换器应用性能双电源或单电源供电工作电压:5V数字脉冲输出端与所有 5V 的标准逻辑电路兼容出色的温度稳定性,温漂小于50ppm/低功耗:15mW 典型值(5V 工作电压)动态范围宽,在 100kHz 的频率范围下,最小为 100dB满量程频率范围宽:1Hz100kHz低成本2.1.1 利用 LM331 实现电压/频率转换原理:Ui基于 LM331 的 V/F 转换系统第 3 页8+5VVCCVCC123 fo564图 4 LM331 内部结构电路CtRs2RS 触发

    7、器精密电流电流开关基准电路CL+-输入比较器-定时比较器QR2R输出驱动复零晶体管7如图 2,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 RS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 RS 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

    8、入电压 Ui 时,输入比较器再次输出高电平,使 RS 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。2.1.2理论值的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

    9、的充电时间 t 由定时元件 Rt 和 Ct 决定,其关系是 CRt*1.典型值取 Rt=6.8k,接地电容一般取 Ct=0.01F,则 t=7.5s。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RlCtUisRlCtUisTf *09.2*1.90LVttI*1)l-s(RsI9.1RlCtUislCtUis

    10、Tf *09.2*1.90基于 LM331 的 V/F 转换系统第 4 页3 软件设计利用 AT89C52 单片机对输入频率进行计数,并送至数码管显示,流程如图 4 所示。图 5 主程序流程图4 调试分析利用 LM331 实现电压/频率转换的仿真电路连接图如下图:图 6 电压/频率转换仿真电路开始系统初始化下降沿触发频率计数送显示结束基于 LM331 的 V/F 转换系统第 5 页运行得到频率波形如下图:图 7 得到的频率波形改变电压,得到不同的频率:4.1.1 仿真数据记录1)仿真图形及数据Ui=1V f=2.08 kHZUi=1.5V f=2.84 kHZUi=2V f=3.60 kHZ基

    11、于 LM331 的 V/F 转换系统第 6 页Ui=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 kHZ基于 LM331 的 V/F 转换系统第 7 页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 8.934.1.2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

    12、13.37kHZ,超过了10kHZ.3) 输入5V多,就出现了最大频率4.1.3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。4.1.4 利用单片机对频率进行计数并通过数码管显示单片机频率计数及显示仿真电路如图图8 单片机频率计数及显示基于 LM331 的 V/F 转换系统第 8 页5 结论及进一步设想根据实验结果,本设计基

    13、本实现了电压频率的转换,得到了所需要的频率信号,并通过单片机对频率脉冲进行计数并显示。在实际电路中,从 LM331 输出的频率外界干扰比较大,如果接一个光电耦合器隔离,得到的频率信号质量能提高。参考文献 1 先锋工作室 单片机程序设计实例M 清华大学出版社,2003, 11 2 林汉 LM 331 压频转换器的原理及应用J 国外电子元器件, 1999, 101 3 曾新民, 曾天剑 1 运算放大器应用手册M 电子工业出版社, 1990, 31 4 胡乾斌, 李玲 1 单片微型计算机原理与应用M 华中理工大学出版社, 1996 5 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

    14、学出版社.2002. 6 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. 7 阎石.数字电子技术基础.清华大学出版社.1999. 8 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.电子工业出版社,2009基于 LM331 的 V/F 转换系统第 9 页课设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

    15、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。由衷地感谢徐老师,徐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

    16、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。基于 LM331 的 V/F 转换系统第 10 页附录 1 电路原理图基于 LM331 的 V/F 转换系统第 11 页附录 2 程序清单ORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP SEVER1ORG 0013HLJMP SEVER2ORG 0030HMAIN: MOV TMOD,#05HSETB EX0SETB EX1SETB IT0SETB IT1S

    17、ETB EASETB TR0MOV P0,#00HMOV P1,#00HSS: JNB P3.5,STOPAJMP SSSTOP: CLR TR0AJMP SSORG 0100HSEVER1:NOPNOPLCALL ZHUANCJNE A,#99H,RELMOV A,TL0CJNE A,#99H,RELMOV TL0,#0FFHMOV TH0,#0FFH基于 LM331 的 V/F 转换系统第 12 页REL: RETIORG 0150HSEVER2: MOV TL0,#00HMOV TH0,#00HLCALL ZHUANRETIORG 0200HZHUAN: CLR CMOV A,TL0ADD A,#00HDA AMOV TL0,AMOV P0,AMOV A,TH0ADDC A,#00HDA AMOV TH0,AMOV P1,ARETEND基于 LM331 的 V/F 转换系统第 13 页附录 3 元器件清单序 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 DIP810 1*40 圆针排针 1 11 合计 13

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