基于LM331的电压频率转换系统设计

目录0前言.....................................................................................................................11总体方案设计.....................................................................................................22硬件电路设计.....................................................................................................22.1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仿真数据记录.....................................................................................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...........................85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..............................................................................................11附录2程序清单..................................................................................................12附录3元器件清单..............................................................................................14基于LM331的V/F转换系统第1页基于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0V——5V时，输出振荡的频率为10HZ——10KHZ；3）给定元件：LM331、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：图1原理框图方案二：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。积分器单稳态触发器恒流源电子开关基于LM331的V/F转换系统第2页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。图2系统原理框图2硬件电路设计2.1利用LM331实现电压频率转换电路设计图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。单片机输入电压低通滤波LM331输出频率数码管充放电路基于LM331的V/F转换系统第3页脚5：单稳态外接定时时间常数RC。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:◆具有最大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◆出色的温度稳定性，温漂小于±50ppm/℃◆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100dB◆满量程频率范围宽：1Hz∽100kHz◆低成本2.1.1利用LM331实现电压/频率转换原理：8+5VVCCVCC123fo564图4LM331内部结构电路CtRs2RS触发器精密电流电流开关基准电路CL+-输入比较器-定时比较器QR2R输出驱动复零晶体管7Ui基于LM331的V/F转换系统第4页如图2,当输入端(7管脚)Ui输入一正电压时，输入比较器输出高电平，然后R－S触发器置位1，输出高电平，输出驱动管导通，3管脚输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通，电容Ct通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容CL对电阻RL放电。当电容CL放电。电压u6等于输入电压Ui时，输入比较器再次输出高电平,使R－S触发器置位。如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Ui成正比，从而实现了电压－频率的线性变换。通过查询资料，发现其输入电压和输出频率的关系为：由式知电阻Rt、RL、Rs、和Ct直接影响转换结果fo，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻Ri和电容Ci组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。2.1.2理论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，取值对电路影响不大，接地电容Ci取漏电流小的电容器，可以取0.01uF，Ri取100k。RC回路的充电时间t由定时元件Rt和Ct决定，其关系是CRt**1.1典型值取Rt=6.8kΩ，接地电容一般取Ct=0.01μF，则t=7.5μs。假设电容CL的充电时间为t1，放电时间为t2，则根据电容CL上电荷平衡的原理，我们有：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=1.90/Rs，改变Rs的值，可调节电路的转换增益。,t1=1.1Rt*Ct代入上式输出频率fo与电压ui成正比RlCtRtUiRsRlCtRtUiRsTf***09.2****1.1*90.1*10RLVtttI*21*)RlVt-s(RsI9.1sRlCtRtUiRsRlCtRtUiRsTf***09.2****1.1*90.1*10基于LM331的V/F转换系统第5页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。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：图6电压/频率转换仿真电路开始系统初始化下降沿触发频率计数送显示结束基于LM331的V/F转换系统第6页运行得到频率波形如下图: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=1Vf=2.08kHZUi=1.5Vf=2.84kHZUi=2Vf=3.60kHZ基于LM331的V/F转换系统第7页Ui=2.5Vf=4.40kHZUi=3Vf=5.13kHZUi=3.5Vf=5.88kHZUi=4Vf=6.67kHZUi=4.5Vf=7.41kHZUi=5Vf=8.20kHZUi=5.5Vf=8.93kHZ基于LM331的V/F转换系统第8页2）仿真数据电压/V11.522.533.544.555.5频率/kHZ2.082.843.64.45.135.886.677.418.28.934.1.2遇到的主要问题1）输出波形不稳定2）当输入电压Ui为5V时，输出频率为13.37kHZ,超过了10kHZ.3)输入5V多，就出现了最大频率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0.01uF的瓷片电容。2）2管脚接入的固定电阻阻值过大，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基于LM331的V/F转换系统第9页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输出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