南京航空航天大學(xué)模擬電路課程設(shè)計(jì)頻率電壓變換器報(bào)告

1、模擬電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告 頻率/電壓變換器課程名稱： 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目： 電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 系 （院）： 自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化專業(yè) 班 級(jí)： 0311102 姓 名： XXX 學(xué) 號(hào)： XXX 時(shí) 間： 2013-06 評(píng)語：成績：簽名：日期：目錄1. 題目2. 引言3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理內(nèi)容及要求 3.1 設(shè)計(jì)目的 3.2 設(shè)計(jì)要求3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及內(nèi)容3.3.2 設(shè)計(jì)思想3.3.2 頻率/電壓轉(zhuǎn)換器原理框圖3.3.3 各模塊方案設(shè)計(jì) 1. 三角波發(fā)生器原理2. LM331原理3. 反向器原理 4. 反向加法器原理 3.4 測試與調(diào)整3.4.1調(diào)試及測量步驟3.4.2

2、原始數(shù)據(jù)及處理3.4.3故障分析3.4.4誤差分析4. 總結(jié) 4.1 思考題 4.2 課設(shè)總結(jié)5. 參考文獻(xiàn)1 題目：模擬電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告2 引言：本課題介紹一種頻率/電壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法，通過本課題熟悉頻率/電壓變換器LM331的主要性能和典型應(yīng)用，掌握運(yùn)放基本電路的原理，并掌握電路的基本設(shè)計(jì)，測量和調(diào)試方法。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理內(nèi)容及要求3.1 課程設(shè)計(jì)目的：本課題介紹一種頻率/電壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法，通過本課題熟悉頻率/電壓變換器LM331的主要性能和典型應(yīng)用，掌握運(yùn)放基本電路的原理，并掌握電路的基本設(shè)計(jì)，測量和調(diào)試方法。3.2 設(shè)計(jì)要求（1） 當(dāng)三角波信號(hào)的頻率fi在200Hz2kHz范圍內(nèi)

3、變化時(shí),對(duì)應(yīng)輸出的直流電壓Vi在15V范圍內(nèi)線形變化;（2） 三角波波信號(hào)源采用函數(shù)波形發(fā)生器的輸出 （3） 采用12V電源供電.（4） F/V變換采用集成塊LM331構(gòu)成的典型電路。通過參考書和報(bào)告上的指導(dǎo)書確定相關(guān)參數(shù)，測定輸出的電壓范圍在0.4-4V。（5） 反相器采用比例為-1，通過集成芯片OP07實(shí)現(xiàn)。（6） 反相加法器同樣用芯片OP07實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)VR的大小。使輸出的電壓在1-5V。3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及內(nèi)容3.3.1 設(shè)計(jì)思想（1） 本次設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)的函數(shù)波形發(fā)生器。確定可調(diào)范圍設(shè)在200Hz-2000Hz,在調(diào)試過程中，挑選中間的幾個(gè)值進(jìn)行測試。（2） F/V變換

4、采用集成塊LM331構(gòu)成的典型電路，直接應(yīng)用頻率電壓轉(zhuǎn)換變換專用集成塊LM331其輸出與輸入的脈沖信號(hào)重復(fù)成正比。通過參考書和報(bào)告上的指導(dǎo)書確定相關(guān)參數(shù)，測定輸出的電壓范圍在0.4-4V。（3） 反相器采用比例為-1，通過集成芯片OP07實(shí)現(xiàn)。（4） 反相加法器同樣用芯片OP07實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)VR的大小。使輸出的電壓在1-5V。（5） 選定設(shè)計(jì)方案，畫出電路圖。本組本次設(shè)計(jì)共有兩個(gè)供選方案。（6） 用通用型運(yùn)算放大器構(gòu)成微分器，其輸出與輸入的正弦波與頻率成正比。（7） 系統(tǒng)構(gòu)成的主要流程圖。函數(shù)波形發(fā)生器反相加法器反相器F/V轉(zhuǎn)換比較器1 三角波 2 方波直流Vo31v5v3 fi=200Hz

5、Vo1Vo2-0.2v3.1.1.1 2000Hz 0.2v2v -2v函數(shù)波形發(fā)生器輸出的三角波，比較器變換成方波。方波經(jīng)F/V變換器變換成直流電壓。直流正電壓經(jīng)反相器變成負(fù)電壓，再與參考電壓VR通過反相加法器得到符合技術(shù)要求的Vo。整機(jī)電路如5-1-5所示3.3.2 頻率/電壓轉(zhuǎn)換器原理框圖3.3.3 各模塊方案設(shè)計(jì)3.3.3.1 三角波發(fā)生器設(shè)計(jì)三角波理論波形3.3.3.2 LM331工作原理LM331用作FVC時(shí)的原理框如圖5-1-1所示.此時(shí),腳是輸出端(恒流源輸出),腳為輸入端(輸入脈沖鏈),腳接比較電平.工作過程(結(jié)合看圖5-1-2所示的波形)如下: 當(dāng)輸入負(fù)脈沖到達(dá)時(shí),由于腳電

6、平低于腳電平,所以S=1(高電平)，=0（低電平）。此時(shí)放電管T截止，于是Ct由VCC經(jīng)Rt充電，其上電壓VCt按指數(shù)規(guī)律增大。與此同時(shí)，電流開關(guān)S使恒流源I與腳接通，使CL充電，VCL按線性增大（因?yàn)槭呛懔髟磳?duì)CL充電）。經(jīng)過1.1RtCt的時(shí)間，VCt增大到2/3VCC時(shí)，則R有效（R=1，S=0）， =0，Ct、CL再次充電。然后，又經(jīng)過1.1RtCt的時(shí)間返回到Ct、CL放電。以后就重復(fù)上面的過程，于是在RL上就得到一個(gè)直流電壓Vo（這與電源的整流濾波原理類似），并且Vo與輸入脈沖的重復(fù)頻率fi成正比。CL的平均充電電流為i（1.1RtCt）fiCL的平均放電電流為Vo/RL當(dāng)CL充放

7、電平均電流平衡時(shí)，得Vo=I（1.1RtCt）fiRL式中I是恒流電流，I=1.90V/RS式中1.90V是LM331內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓（即2腳上的電壓）。于是得可見，當(dāng)RS、Rt、Ct、RL一定時(shí)，Vo正比于fi，顯然，要使Vo與fi之間的關(guān)系保持精確、穩(wěn)定，則上述元件應(yīng)選用高精度、高穩(wěn)定性的。對(duì)于一定的fi，要使Vo為一定植，可調(diào)節(jié)RS的大小。恒流源電流I允許在10A500A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故RS可在190k3.8 k范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。一般RS在10k左右取用。2LM331用作FVC的典型電路LM331用作FVC的電路如圖5-1-3所示。 在此，VCC=12V所以 Rx=50k取 Rx=51 k取 RS

8、=14.2 k則 Vo=fi10 3V由此得Vo與fi在幾個(gè)特殊 頻率上的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5-1-1所示。 Vo和fi的 關(guān)系 Fi(Hz)200650110015512000Vo(V)0.20.651.11.552.03.3.3.3 反向器原理反相器的電路如圖5-1-6所示。 因?yàn)槎际侵苯玉詈?，為減小失調(diào)電壓對(duì)輸出電壓的影響，所以運(yùn)算放大器采用低失調(diào)運(yùn)放OP07。由于LM331的負(fù)載電阻RL=100k（見圖5-1-3），所以反相器的輸入電阻應(yīng)為100 k，因而取RL=100。反相器的Au=-1，所以R4=RL=100 k平衡電阻R5=RL/R4=50 k 取 R5=51 k。反相加法器用反相加法

9、器是因?yàn)樗阌谡{(diào)整-可以獨(dú)立調(diào)節(jié)兩個(gè)信號(hào)源的輸出電壓而不會(huì)相互影響，電路如圖5-1-7所示。 已知Vo3= -Vo2= -fi10-3V技術(shù)要求fi=200Hz時(shí)，Vo=1Vfi=2000Hz時(shí)，Vo=5V即（2）對(duì)照式和式，可見應(yīng)有 若取R10=R9=20 k，則VR= -VR6=9k，用兩個(gè)18 k電阻并聯(lián)獲得。平衡電阻R11R11/R6/R9=4.7 k。參考電壓VR可用電阻網(wǎng)絡(luò)從-12V電源電壓分壓獲取，如圖5-1-8所示。 若取 R8=1k，則R8/R9=0.952 kRw2+R7=19.6 k取 R7= 15 kRw2用10 k電位器。圖5-1-5中的C2、C3、C4、C5均為濾波

10、電容，以防止自激和輸出直流電壓上產(chǎn)生毛刺，電容值均為10F/16V。3.3.3.4 反向加法器原理反相加法器另一種設(shè)計(jì)方法如圖5-1-9所示。 設(shè)fi=200Hz時(shí)為Vo3，要求Vo1=1V，則fi=2000Hz時(shí)為10Vo3要求Vo=5V1（1）5（2）（1）-（2）：（3）（1）10-（2）：（4）由，若取VR= -1V，則，取定一個(gè)電阻就可確定另一個(gè)。即 若取，則R10=R9，取定R10、R9。知道R10，則由根據(jù)Vo3大小，可確定R6。設(shè)Vi3= -0.2V，則，從而得。3.4 測試與調(diào)整3.4.1 調(diào)試及測量步驟觀察圖5-1-5中有關(guān)點(diǎn)的波形。（1） 可在200Hz2kHz內(nèi)的任一頻

11、率上觀察。（2） Vi1應(yīng)為直流電平0，幅度0.22VCC的正弦波。（3） Vo1應(yīng)為單極性的正方波，幅度VCC。（4） Vi2應(yīng)為直流電平VCC的正負(fù)脈沖。（5） Vo2應(yīng)為正直流電壓，Vo3應(yīng)為負(fù)直流電壓，VO應(yīng)為正直流電壓。（6） 測量圖5-1-5中有關(guān)點(diǎn)的直流電壓（7） 首先要保證頻率計(jì)，電壓表完好，即保證測得的頻率、電壓數(shù)值正確。（8） 將函數(shù)波形發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率fi調(diào)到200Hz。此時(shí)（9） Vo2=0.2V。否則調(diào)整Rw1。（10） Vo3= -0.2V。否則調(diào)整R4。（11） VR應(yīng)= -5/9V。否則調(diào)整Rw2。（12） Vo應(yīng)=1V。否則分別檢查VR、Vo3產(chǎn)生的輸入。

12、（13） VR產(chǎn)生的輸出-應(yīng)為VR。否則調(diào)整R9。（14） Vo3產(chǎn)生的輸出應(yīng)為-4/9V，否則調(diào)整R6。（15） 固定電阻的調(diào)整可用一個(gè)接近要求值的電阻和一個(gè)小阻值的電阻串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。（16） 根據(jù)5-1-2中的頻率點(diǎn)，測出對(duì)應(yīng)的Vo2、Vo3、VR、Vo，應(yīng)基本符合表5-1-2中的值。表5-1-2 有關(guān)點(diǎn)直流電壓 與fi的關(guān)系fi（Hz）200650110015502000Vo2（V）0.20.651.11.552.0Vo3（V）-0.2-0.65-1.1-1.55-2.0VR（V）-5/9-5/9-5/9-5/9-5/9Vo（V）1.02.03.04.05.03.4.2原始數(shù)據(jù)及處理 有關(guān)

13、點(diǎn)直流電壓 與fi的關(guān)系fi（Hz）200650110015502000Vo2（V）01790.5661.11.011.82Vo3（V）-0.226-0.716-1.170-1.680-2.16VR（V）0.582 0.5820.5410.5820.582Vo（V）0.9802.063.1304.125.163.4.3 故障分析1）故障：F/V變換器（KA331）出來的直流量太小。和理論值相差100倍。2）解決方法：經(jīng)隊(duì)友及同學(xué)的幫助下，最終發(fā)現(xiàn)C6電容接錯(cuò)。3.4.4誤差分析由于環(huán)境（噪音干擾，氣流干擾等）及儀器本身的誤差及人為誤差（讀數(shù)不準(zhǔn)，電路連接不穩(wěn)等）而引起誤差。數(shù)據(jù)誤差計(jì)算：f=2

14、00Hz時(shí)E1=(1-0.980)/1 *100%=2%F=2kHz時(shí) ：E2=（5.16-5）/5 *100%=3.2%所以E=（E1+E2）/2=2.6%10% （符合實(shí)驗(yàn)要求）4. 總結(jié)4.1 思考題 1為何使用反相加法器實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算，而不直接使用同相加法器？答;有反相加法器和同相加法器的特點(diǎn)可知，反相加法器可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)信號(hào)的獨(dú)立相加，可以調(diào)整Rf和R1的比值直接加到輸出端，很方便調(diào)處所需的輸出電壓，而同相加法器則需要很難調(diào)到需要的輸出電壓。4.2 課設(shè)總結(jié) 通過這次的課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我的動(dòng)手能力，提高了我的運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。在本次課程設(shè)計(jì)中我做的題目是：電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。

15、在整個(gè)方案設(shè)計(jì)中，我運(yùn)用了模擬電子的相關(guān)知識(shí)，包括：積分器、遲滯比較器等模塊電路。在選擇元件方面，我使用了兩個(gè)NJM系列的集成芯片、穩(wěn)壓管以及具有單向?qū)ㄐ缘木w二極管，從中我學(xué)到了挑選元件的方法和元件的合理構(gòu)架等書本上沒有的知識(shí)。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。沒有知識(shí)是從天而降的，沒有獲得不需要付出。是的，我這學(xué)期學(xué)習(xí)了電子線路（線性部分）的知識(shí)，但是知識(shí)繁多，在課堂上不能一一弄懂、弄精，這一次的課程設(shè)計(jì)給了我機(jī)會(huì)，讓我更加深刻的對(duì)模電知識(shí)有了深刻的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)。在我拿到題目時(shí)，當(dāng)時(shí)我覺得這題目很簡單，沒有什么大不了的，不就是一個(gè)電壓/頻率的轉(zhuǎn)換器帶電路嘛，還能難住我？但在這兩個(gè)星期的設(shè)計(jì)過

16、程中，我面紅耳赤，慚愧的無地自容，剛開始我連積分器如何使用，如何與比較器進(jìn)行耦合構(gòu)成壓控振蕩器的這樣的知識(shí)都不了解！再后來我靜下心來決定好好的學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)，亡羊補(bǔ)牢，為時(shí)不晚啊。我去了圖書館進(jìn)行資料的查閱，整整一天什么事都沒有做就在圖書館四樓理工閱覽室查閱資料。隨著我研究、思考的深入，對(duì)不明白的原理和方法漸漸的弄清楚之后，我開始了電路圖的設(shè)計(jì)，心理不免有點(diǎn)小小的成就感?？稍谠O(shè)計(jì)的過程中有出現(xiàn)了新的問題：能夠設(shè)計(jì)出無源的方波振蕩器，可就是如何加入電源，使之成為一個(gè)壓控振蕩器呢！我又一次的進(jìn)入了迷茫之中繼續(xù)圖書館查閱資料，隨著思考的越來越深入，突然在一天午覺時(shí)，終于有了頓悟：對(duì)，做一個(gè)開關(guān)，導(dǎo)通時(shí)電容

17、放電，不導(dǎo)通時(shí)，電容充電，而電容的充電速度的快慢將直接控制輸出方波的頻率的改變，同時(shí)電容的充電速度直接由外接電源來解決！想到這里，我的整個(gè)設(shè)計(jì)思路和框圖已經(jīng)完全出來，萬事具備就欠東風(fēng)啦！我無比的興奮、激動(dòng)，為我自己感到高興，成就感油然而生接下來就進(jìn)入了電路圖的繪制階段，值得慶幸的是在這次課程設(shè)計(jì)之前，我就已經(jīng)學(xué)會(huì)了使用電子繪圖和仿真軟件multisim。在繪圖和仿真階段，進(jìn)行的相當(dāng)?shù)捻樌?，?duì)電阻和電容數(shù)值的調(diào)試也是很順利的。設(shè)計(jì)過程如一條蜿蜒曲折的小徑，你永遠(yuǎn)不知道下一個(gè)拐彎后有什么等待這你。這一次的課程設(shè)計(jì)的全過程，讓我體會(huì)到的是設(shè)計(jì)的艱辛，但更多的是在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的喜悅，我開始越來越喜歡上電子設(shè)計(jì)了。5. 參考文獻(xiàn)【1】 謝嘉奎 主編