基于LM331的电压频率转换系统设计说明

1、0前言I1总体方案设计22硬件电路设计22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仿直数据记录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95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12附录2程序清单13附录3元器件清单15基于LM331的V/F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

2、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

3、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，输岀振荡的频率为10HZ10KHZ;3）给定元件：LM3引、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：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。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

4、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。输入电压低通滤波LM331输出频率-单片机数码管充放电路图2系统原理框图2硬件电路设计2.1利用LM3引实现电压频率转换电路设计LM331LM331A-d图3LM331芯片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

5、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:接地。脚5:单稳态外接定时时间常数RCo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：貝有最大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岀色的温度稳定性，温漂小于50ppm/9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lOOdB满量程频率范围宽：1 HzslOOkHz低成

6、本2.1.1利用LM331实现电压/频率转换原理：word完美格式vcc如图2 发器置位 Vcc - 7甲电 比较竺嗣-6为逻牛耳高相毎 容CL亦 L CL 输岀高电耳g 入电压Ui成i 和辎5康率的ilj输入比较器RS触发器R定时比较器R护屮复零晶体精密电流基准电路QS触电定使Ct由式知应电流开关输出驱动再欠,1与输吟压23 fb1.90*1.2)9*Rr*Cf*RiJ1 I求，可棣据转换精度适当选择。电阻Ri和电4 i组成低通滤波器，可减少输入电Rs2 扰脉冲，有利于提高转换精度。图4 LM331内部结构电路+5V干21兀左;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

7、路影响不大，接地电容Ci取漏电流小的电容器，可以取O.OluF, Ri取lOOko RC回路的充电时间t由定时元件 Rt和Ct决定，其关系是r = i.i*/?*c典型值取Rt=6.8kQ,接地电容一般取Ct二O.OlpF,则t二7.5屮。假设电容CL的充电时 间为和，放电时间为也，则根据电容CL上电荷平衡的原理，我们有：VtVt(Is)*rl = /2*RIRL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二1.90/Rs,改 变Rs的值，可调节电路的转换增益。力二1.1R存Ct1.9Rs代入上式RsUiRsUi2.09*/?r*O*7?/输出频

8、率fo与电压ui成正比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。送显示结束图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:运行得到频率波形如下图:回Digital OscilloscopeClkiiuiel CBlu20liannH BCliaiMte! DfflmiInverta3v 12 i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=lVf 二208kHZUi=1.5Vf=2.84 kHZUi=2.5Vf=4.40 kHZUi=3Vf 二5.13kHZUi=3.5V

9、f=5.88 kHZUi=4V f=6.67 kHZUi 二 4.5Vf 二 7.41 kHZUi二5Vf=8.20 kHZUi二5.5Vf=8.93 kHZ2）仿真数据电压/V11.522.533.544.555.5频率/kHZ2.082.843.64.4535.886.677.418.28.934.1.2遇到的主要问题1）输岀波形不稳定2）当输入电压Ui为5V时，输出频率为13.37kHZ,超过了 10kH乙3）输入5V多，就岀现了最大频率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0.01 uF的瓷片电容。word完美格式2) 2管脚接入的固定电阻阻值过大

10、，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5结论及进一步设想根据实验结果，本设计基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输岀的频率外界干扰比 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 1先锋工作室单片机程序设计实例M清华大学岀版社,20

11、03, 112林汉LM 331压频转换器的原理及应用J国外电子元器件，1999,1013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,引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，19965 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.2002.6 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.电子工业岀版社，2009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

12、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

13、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。word完美格式附录1电路原理图附录2程序清单ORGOOOOHLJMP MAINORG0003HLJMP SEVER 1ORG

14、0013HLJMP SEVER2ORG0030HMAIN: MOV TMOD,#05HSETB EXOSETB EXISETB ITOSETB IT1SETB EASETB TROMOV PO,#OOHMOVP1,#OOHSS: JNB P3.5,STOPAJMPSSSTOP： CLR TROAJMPSSORGOIOOHSEVER】 ：NOPNOPLCALLZHUANCJNE A,#99H,RELMOV AJLOCJNE A,#99H,RELMOV TLO,#OFFHMOV THO,#OFFHREL: RETIORG0150HSEVER2: MOV TLO,#OOHMOV THO,#OOHLCALLZHU