模拟电子技术课程设计---大型货车制动过热自动控制系统.doc

模拟电子技术课程设计 课 题：频率/电压变换器 学 院：电气与电子工程学院专 业： 自动化班 级： 100303组 长： 王金玉 20100846 组 员： 齐兆举 20100841 陈 强 20100824 侯 楠 20100832 刘婧瑶 20100836 指导教师： 赵明月 时 间：2012.6.252012.7.2 本课题介绍一种频率/电压变换器的设计方法，通过本课题要求熟悉集成频率/电压变换器LM331的主要性能和典型应用，掌握运算放大器基本电路的原理，并掌握它们的设计、测量和调整方法。一、设计目的1、学习频率/电压变换器的设计方法；2、掌握集成电路LM331的设计方法；3、掌握反相器和反相加法器的设计方法。二、设计要求和技术指标 1、当正弦波信号的频率fi在400Hz4kHz范围内变化时，对应输出的直流电压V0在2V10V范围内线性变化。 2、正弦波信号源采用函数波形发生器（参见课题三）。 3、采用12V电源供电。三、设计说明1.方案选择可供选择的方案有两种： （1）用通用型运算放大器构成微分器，其输出与输入的正弦信号频率成正比。 （2）直接应用频率电压变换专用集成块LM331，其输出与输入的脉冲信号重复频率成正比。因为上述第（2）种方案的性能价格比较高,故本课题用LM331实现.2. LM331用作FVC时的工作原理框 LM331的原理框图如图5-1-1所示。此时，脚是输出端（恒流源输出），脚为输入端（输入脉冲链），脚接比较电平。 当输入负脉冲到达时,由于脚电平低于脚电平,所以S=1(高电平)，=0（低电平）。此时放电管T截止，于是Ct由VCC经Rt充电，其上电压VCt按指数规律增大。与此同时，电流开关S使恒流源I与脚接通，使CL充电，VCL按线性增大（因为是恒流源对CL充电）。经过1.1RtCt的时间，VCt增大到2/3VCC时，则R有效（R=1，S=0）， =0，Ct、CL再次充电。然后，又经过1.1RtCt的时间返回到Ct、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 I（1.1RtCt）fiCL的平均放电电流为Vo/RL当CL充放电平均电流平衡时，得：Vo=I（1.1RtCt）fiRL式中I是恒流电流，I=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：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。3LM331用作FVC的典型电路图5-1-2Vi2V02RLRx=51k6.7k Rt Rs0.01uF Ct5k LM331用作FVC的电路如图5-1-2所示对于一定的fi，要使Vo为一定值，可调节RS的大小。恒流源电流I允许在10A500A范围内调节，故RS可在190k3.8 k范围内调节。一般RS在10k左右取用。 又因为 在此， VCC=+12V所以 Rx=50k 根据实际需取 Rx=51 k 其中，RL=100k，Ct=0.01uF,取 RS=14k则 Vo=fi10 3V由此得Vo与fi在几个特殊 频率上的对应关系如表5-1-1所示。 表5-1-1 Vo和fi的关系 fi(Hz)4001300220031004000Vo(V)0.41.32.23.14.0图5-1-2中fi是经过微分电路470pF和10 k加到6脚上的。6脚上要求的触发电压是脉冲，所以图5-1-2中的fi应是方波。 4、整机方框图和整机电路图（1）整机方框图如图5-1-3所示。频压转换器2V10V图5-1-3参考电压VRfi=4004kHZ正弦波0.44v-0.4-4V反相加法器 反相器 函数波形发生器比较器函数波形发生器输出的正弦波经过比较器变换成方波。方波经F/V变换器变换成直流电压。直流正电压经反相器变成负电压，再与参考电压VR通过反相加法器得到符合技术要求的Vo。（2）整机电路如5-1-4所示， 5、函数波形发生器，比较器电路，反相器和反相加法器的设计计算： 上面介绍了F/V变换器，下面介绍函数波形发生器，比较器电路，反相器和反相加法器。（1） 函数波形发生器(RC正弦波振荡电路） 要为RC串并联选频网络匹配一个电压放大倍数等于3（即输出电压与输入电压同相，且放大倍数的数值为3）的放大电路就可以构成正弦波振荡电路。考虑到起震条件，所选放大电路的电压放大倍数应略大于3。由公式， ，得：R1=1K,R2=1.8K,C1=C2=20nFR3、R4选取20kw的电位器，来实现微调电路，加稳压管可以限制输出电压的峰峰值。 函数波形发生器电路图如下： （2） 反相器(反相比列运算电路） 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=100k（见图5-1-2），所以反相器的输入电阻应为100 k，因而取RL=100。 反相器的Au=-1，所以 R4=RL=100 k 平衡电阻R5=RL/R4=50 k 取 R5=51 k。反相器的电路如图5-1-6所示： （3）反相加法器（反相求和运算电路）用反相加法器是因为它便于调整-可以独立调节两个信号源的输出电压而不会相互影响，电路如图5-1-7所示。 已知Vo3= -Vo2= -fi10-3V （1）技术要求fi=400Hz时，Vo=2Vfi=4000Hz时，Vo=10V即 （2）对照式和式，可见应有 若取R10=R9=20 k，则R6=9k，用两个18 k电阻并联获得。平衡电阻R11R10/R6/R9=4.7 k。(4)参考电压VR可用电阻网络从-12V电源电压分压获取，如图5-1-8所示。 若取 R7=1k，则R8/R7=0.952 kRw2+R2=9.3296 k取 R2= 6 kRw2用5 k电位器。图5-1-4中的C5、C6、C7、C9均为滤波电容，以防止自激和输出直流电压上产生毛刺，电容值均为10F/16V。(5） 比较器（一般单限电压比较器） 6、 仿真过程 由于multisim10.0软件中不存在LM331我只能将其省略，分成如下两个模块正弦波转换为方波模块：直流正电压经反向器、反向加法器得到符合技术要求的Vo 模块 ：7、测量和调整由于multisim10.0.1的软件中不存在LM331导致我们无法仿真，且实物未连接成功，我们组无法测得实际的波形和真时的电流电压值。但经计算理论值如下：预测可在400Hz4kHz内的任一频率上观察到，图5-1-4中有关点的波形：Vi1应为直流电平0，幅度0.22VCC的正弦波。Vo1应为单极性的正方波，幅度VCC。Vi2应为直流电平VCC的正负脉冲。Vo2应为正直流电压，Vo3应为负直流电压，VO应为正直流电压。图5-1-4中有关点的直流电压：调节图5-1-4中的电位器，将函数波形发生器的输出信号频率fi调到400Hz。此时：Vo2=0.4V，否则调整Rw1（整机电路中的标号）。Vo3= -0.4V，否则调整R4。VR= -10/9V，否则调整Rw2。Vo=2V，否则分别检查VR、Vo3产生的输入。固定电阻的调整可用一个接近要求值的电阻和一个小阻值的电阻串联来实现。 表5-1-2 有关点直流电压V 与fi的关系fi（Hz）4001300220031104000Vo2（V）0.41.32.23.14.0Vo3（V）-0.4-1.3-2.2-3.1-4.0VR（V）-10/9-10/9-10/9-10/9-10/9Vo（V）2.04.06.08.010.08、主要元器件LM331：引脚号引脚名 功能1Current Output电流输出2Ref Current 基准电流 3Frequency Output频率输出 4GND 接地 5R/C 接 RC 定时电路6Thresholod 阈值 7Comparator Input 比较输入 8VS电源 LM331 器件管脚图 LM324:封装：SOP 制造商：IPC-2221A/2222 OP07CP： 封装：PDIP-8 制造商：IPC-2221A/2222UA741: 封装：DIP8 制造商：IPC-2221A/2222 9、设计总结与思考 如果LM331输出偏大，LM331的2脚对地有一个12K电阻和一个5K电位器串联对地，调节电位器即可调输出频率，也就是图5-1-4中的Rs。四、 结论与心得此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益匪浅。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，但我们能积极的应对并解决。同时在设计的过程中发现