模拟电子技术课程设计---大型货车制动过热自动控制系统

1、模拟电子技术课程设计一-大型 货车制动过热自动控制系统题：频率/电压变换器学院:专业:班级:组长:组员:课指导教师:模拟电子技术课程设计电气与电子工程学院 自动化 100303王金玉 20100846 齐兆举 20100841 陈强 20100824 侯楠 20100832 刘嬪瑶20100836 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

2、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、釆用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垂复频 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K.LM331的

3、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Si（高电平），Q =0 （低电平）。此时放电管T截止，于是G由Vcc经Rt充电，其上电压Vg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1.1RQ的时间，V。增大到2/3VCC时，则R有效（R=l, S=0）, Q =0, Ct.Cl再次充电。然后，又经过1.1RQ的时间返回到6 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V。（这与电源的整流滤波原理

4、类似人并且 V。与输入脉冲的重复频率fi成正比。Cl的平均充电电流为IX （l.IRtCt） XfiCl的平均放电电流为Vo/Rl当Cl充放电平均电流平衡时，得：Vo=ix （l.IRtCt） XfiXRL式中I是恒流电流，I=l90V/Rs式中1.90V是LM331内部的基准电压（即2脚上的电压）。于是得：Vo=2.09RtCtf,Rs可见，当Rs、Rt、G、Rl 定时，V。正比于fi,显然，要使V。与fi之间的关系保持 精确、稳定，则上述元件应选用高精度、髙稳定性的。3. LM331用作FVC的典型电路LM331用作FVC的电路如图5-1-2所示76LM331-O.OluF Ct6.7k

5、Rt1OOK RLV02对于一定的fi,要使V。为一定值,可调节Rs的大小。恒流源电流I允许在10 p A-500卩A 范围内调节，故Rs可在190kQ -3.8 k Q范围内调节。一般Rs在10kQ左右取用。又因为伦-20.2mA在此， Vcc=+12V所以 Rx=50k Q 根据实际需取 Rx=51kQVo =2.09-5R,C,f 其中，RL=100kH, Ct=0.01uF,Rs取Rs=14kQ则 Vo=fiX10-3V由此得V。与fi在几个特殊频率上的对应关系如表511所示。表5亠1Vo和fi的关系fi(Hz)4001300220031004000Vo(V)0.4132.23.14.

6、0图5-1-2中fi是经过微分电路470pF和10 k Q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中的应是方波。4. 整机方框图和整机电路图(1)整机方框图如图513所示。技术要求的V“(2)整机电路如5b4所示,GNDR7rAW1.8kft31R12-AVv1kOM324AJC4卄1BH62FR1W1ICQU aw uV -AV1kOR181.8kn15470pFR16 10kO20kf)50%Koy=AR14 20kO丄J丄一-vccD402DZ4.7D302DZ4.7Key-A -7GNDVCC12VR11 -Ws0 4JkO _1_5-1-4C5 lOuFVEE-1

7、2V5. 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。R ,1由公式，,八融， /=4(X)-4000HzRi=lKQ，R2=l8KQ，Ci=C2=20nF R3、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一峰值。函数波形发生器电路图如下:

8、(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，所以运算放大器釆用 低失调运放OP07。由于LM331的负载电阻Ri =100kQ （见图5-1-2）,所以反相器的输入电阻应为 100 kQ,因而取 Rl=100o反相器的Au=-1,所以 R4=Ri=100kQ平衡电阻 R5=Ri/R4=50 k Q 取 Rs=51 k Q o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一“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。RRV =-21Vllv r6 03 r9 r己知 Vo3=

9、-Vo2= -fiX 10 3V(1)K6K9技术要求fi=400Hz 时，V0=2V fi=4000Hz 时，Vo=10V500+ fi4509450(2)对照式和式，可见应有凡 9VK=- V若取 Rio=R9=2O k Q ,贝！J 9R6=9k Q ,用两个18 k Q电阻并联获得。平衡电阻 RiiRio/R6/R9=4.7 k Q。参考电压Vr可用电阻网络从12V电源电压分压获取，如图5亠8所示。Kw212VR=空仝x (-12) = _ 巴R RW2+R2+RJ/R,9若取 R7=lk Q ,则 Rs/R7=0.952 k QRw2+R2=9.3296 k Q取 R2=6kQRw2

10、用5kQ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10uF/16Vo(5)比较器(一般单限电压比较器)6、仿真过程由于muItisimlO.O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:由于的软件中不存在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400Hz-4kHz内的任一频率上观察到，图5-1-4中有关点的波形：Vii应为直流电平心0,幅度0.22Vcc的

11、正弦波。Vi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。V2应为正直流电压，V3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亠4中的电位器，将函数波形发生器的输出信号频率fi调到400HZo此时： Vo2=0.4V,否则调整R、i(整机电路中的标号Vo3= -0.4V,否则调整 R4。Vr= -10/9V,否则调整 Rw2oVo=2V,否则分别检査Vr、V3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亠2有关点直流电压V与fi的关系fi (Hz)4001300220031104000Vo2 (V)0

12、.41.32.23.14.0Vo3 (V)04-1.3-2.2-3.1-4.0Vr (V)-10/9-10/9-10/9-10/9-10/9Vo (V)2.04.0608.010.08.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OOM*12vsREFERS 2araEJi11331Lcoip. mmFREQUDKOOUTPUTrHFESflOLOU-R/CLM331器件管脚图

13、LM324:输出1输入2输出2 72输入3可输出3可输出4卫VEE：Gnd回U输入4封装:SOP制造商：IPC-2221A/2222封装：DIP8制造商：IPC-2221A/22220P07CP：地 181电游；输入+ 27输出输入-36调省负电源45调零封装：PDIP-8制造商：IPC-2221A/2222UA741:1 - Offset null 12 - Inverting input3 Non-invert!ng input4W5 Offeet null 26O utput7 W8-N.C.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亠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，从而提髙自己的实际动 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