模电课程设计报告

0电子与信息学院《模拟电子线路基础》课程设计报告频率/电压变换器的设计题目难度系数：1专业信息工程班级4学生姓名唐铭祥实验台号43指导教师甘伟明袁炎成提交日期2011年3月14日电话号码[phone]报告评分批改老师1目录第一部分系统设计1.1设计题目及要求…………………………………………………………21.2总体设计方案…………………………………………………………21.2.1设计方案……………………………………………………………21.2.2方案论证与比较…………………………………………………………2第二部分单元电路设计2.1FVC电路…………………………………………………………………42.1.1FVC电路工作原理……………………………………………………………42.1.2FVC电路元件的选取与计算………………………………………………52.2反相器电路………………………………………………………………52.2.1反相器电路工作原理………………………………………………………62.2.2反相器电路元件的选取与计算……………………………………………62.3反相加法器电路………………………………………………………………62.2.3反相加法器电路工作原理……………………………………………62.2.3反相加法器电路元件的选取与计算…………………………………72.4比较器电路…………………………………………………………………82.2.4比较器电路工作原理…………………………………………………8第三部分整机电路3.1整机电路图………………………………………………………………93.2元件清单…………………………………………………………………9第四部分性能指标的测试4.1电路调试…………………………………………………………………104.1.1测试仪器与设备………………………………………………………104.1.2指标测试及测量数据………………………………………………104.1.3故障分析及处理……………………………………………………104.2电路实现的功能和系统使用说明…………………………………………9第五部分课程设计总结（心得体会）…………………………………………112第一部分1.1设计任务和要求设计一个频率/电压变换器。要求：1、当正弦波信号的频率fi在200HZ~2KHZ范围内变化时，对应的直流电压VO在1V~5V范围内线性变化。2、正弦波信号由函数信号发生器提供。3、电源采用±12V供电。1.2总体设计方案1.2.1设计方案方案一：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.系统框图方案二：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。系统框图1.2.2方案论证与比较利用集成芯片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/频率变换电路此方案。LM331简介：LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接微分器单稳触发电路其电子开关恒流源函数波形发生器比较器F/v变换反相器反向加法器3入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331的内部电路组成如图2所示。由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0～40V之间，输出可高达40V，而且可以防止Vcc短路。输入比较器Q定时比较器+--RS触发器精密电流电流开关基准电路1235674VCC8图2LM331内部结构电路4第二部分单元电路设计2.1LM331用作FVC的典型电路设计工作原理：LM331用作FVC的电路如图所示。2/3VCC0vctt1.1RtCtt0V0vCL0t3.5vp-pVCC01/fit1st0图5-1-25当输入负脉冲到达时,由于○6脚电平低于○7脚电平,所以S=1(高电平)，Q=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○1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），Q=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的平均放电电流为Vo/RL当CL充放电平均电流平衡时，得Vo=I×（1.1RtCt）×fi×RL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ittSLofCRRR09.2VmA2.02VRCCx在此，VCC=12V所以Rx=50kΩ取Rx=51kΩittSLofCRRR09.2V取RS=14.2kΩ则Vo=fi×10–3V2.2反相器反相器的电路如图所示。23451k67100kR4RL100kVCC+VCC-VEEVo1Vi1R5图5-1-6OP07+-6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741。由于LM331的负载电阻RL=100kΩ（见图5-1-3），所以反相器的输入电阻应为100kΩ，因而取RL=100。反相器的Au=-1，所以R4=RL=100kΩ平衡电阻R5=RL//R4=50kΩ取R5=51kΩ。2.3反相加法器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，电路如图所示。R10R6Vo3+VCC-VEEVoVRR11图5-1-9A741+-R9R9103o610oVRRVRRV已知Vo3=-Vo2=-fi×10-3V∵R9103i610oVRR10fRRV参考电压VR可用电阻网络从-12V电源电压分压获取，如图所示。7-12VRW210k15kR7VRR920kR81k图5-1-895)R//R(RRR//RV9872W98R若取R8=1kΩ，则R8//R9=0.952kΩRw2+R7=19.6kΩ取R7=15kΩRw2用10kΩ电位器。2.4比较器比较器这里用LM311，电路图如下工作原理：LM311的2脚接地，当输入信号大于零时，输出高平信号，但输入信号小于零时，输出低平信号，最终在7脚输出一个方波信号。8第三部分整机电路3.1整机电路图总电路图如下：3.2元件清单9第四部分性能指标的测试4.1电路调试4.1.1测试仪器与设备函数发生器、实验箱一个、直流稳压电源1台、示波器1台、数字万用表1个等。4.1.2指标测试及测量数据先要保证频率计，电压表完好，即保证测得的频率、电压数值正确。将函数波形发生器的输出信号频率fi调到200Hz。此时Vo2=0.2V。否则调整Rw1。Vo3=-0.2V。否则调整R4。VR应=-5/9V。否则调整Rw2。Vo应=1V。否则分别检查VR、Vo3产生的输入。VR产生的输出-应为VR。否则调整R9。Vo3产生的输出应为-4/9V，否则调整R6。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。测出对应的Vo2、Vo3、VR、Vo，应基本符合表5-1-2中的值。表5-1-2有关点直流电压与fi的关系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）1.02.03.04.05.04.1.3故障分析及处理故障一：LM311输出不了方波。原因：可能是芯片烧坏了，应该换一个试一下。故障二：输入对应的频率时，输出的电压与理论值不符。原因：可能是Rw1和Rw2调好，应该调整Rw1和Rw2，使对应的点的值与理论值相符。4.2电路实现的功能和系统使用说明电路实现的功能：当输入的正弦波信号的频率fi在200HZ~2KHZ范围内变化时，对应的直流电压VO在1V~5V范围内线性变化。从而实现了频率电压的转换。10第五部分课程设计总结通过本次课程设计，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。记得以前做实验大部分都是有电路图的，我们同学只需要按照电路图插元件，然后把测量值写下就行了。不过这次大部分都要我们自己设计，要想完成这个课程设计，掌握的知识要多很多，并且还很综合。以前我的模电和数电学得不太好，因此对那些芯片不了解，开始的时候无从下手。一切都要重新学过，重新查资料，我发现，经过这次课程设计，我学会了查资料，并且在查资料的同时，也了解了另一些课外知识。经过这次课程设计，我对模电设计更加感兴趣了，也对我的专业要了更加深刻的了解。同时也了解到自己的不足，对模电知识的缺乏，动手能力有待提高，对理论知识不会运用到实际当中等等。这些，我将会在课程设计结束后改善的。总的来说,这样的课程设计是很好的锻炼机会,要学好模电设计并不是一朝一夕的事，平时也要多做一些小设计，看多一些跟模电设计有关的书籍，提升自己的能力，扩大自己的知识面，这样才能学好和做好我们的专业。