基于LM331的电压频率转换系统设计

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模拟电子技术课程设计——频率、电压转换电路的设计

淮海工学院课程设计报告书课程名称：模拟电子技术课程设计题目：频率/电压转换电路的设计系（院）：电子工程学院学期：12-13-1专业班级：电子112姓名：冒佳卫学号：20111206491 引言本设计实验要求对函数发生器、比较器、F/V变换器LM331、反相器和反相加法器的主要性能和应用有所了解，要能掌握其使用方法。

同时要了解它们的设计原理。

本设计实验要求我们要灵活运用所学知识，对设计电路的理论值进行计算得到理论数据，在与实验结果进行比较。

1.1 设计目的当正弦波信号的频率f i在200Hz~2kHz范围内变化时,对应输出的直流电压V i在1~5V范围内线形变化。

1.2 设计内容设计一个频率/电压转换电路，将给定的正弦波信号的频率转化成相对应的直流电压。

设计的各部分包括：比较器、F/V转换器、反相器、反相加法器。

1.3 主要技术要求（1）输入为正弦波频率200—2000Hz; 输出为电压1—5V；（2）正弦波信号源采用函数波形发生器的输出；（3）采用±12V电源供电。

2 频率/电压转换器的总体框图设计=1~5V函数波形发生器输出的正弦波比较器变换成方波。

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V R通过反相加法器得到V o3 频率/电压转换器的功能模块设计3.1 函数信号发生器ICL8038芯片介绍3.1.1 ICL8038作用ICL 8038 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部元件就能产生从 0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。

输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。

另外由于该芯片具有调频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。

3.1.2 ICL8038管脚介绍图 2 ICL8038表1 引脚功能介绍3.2 比较器电路的设计过零比较器的原理过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。

基于LM331频率电压转换器电路设计

基于LM331频率电压转换器电路设计LM331基本上是从国家半导体精密电压频率转换器。

该集成电路具有手像应用模拟到数字的转换，长期一体化，电压频率转换，频率电压转换。

宽动态范围和出色的线性度，使适合上述应用的IC，这里的LM331作为电压转换器转换成一个成比例的电压，这是非常线性的输入频率与输入频率的频率有线。

电压转换的频率达到差分输入频率使用电容C3和电阻R7，和由此产生的脉冲序列喂养的PIN6的IC(阈值)。

在PIN6负由此产生的脉冲序列的边缘，使得内建说明LM331基本上是从国家半导体精密电压频率转换器。

该集成电路具有手像应用模拟到数字的转换，长期一体化，电压频率转换，频率电压转换。

电压转换的频率达到差分输入频率使用电容C3和电阻R7，和由此产生的脉冲序列喂养的PIN6的IC(阈值)。

在PIN6负由此产生的脉冲序列的边缘，使得内建的比较器电路，触发定时器电路。

在任何时刻，电流流过的电流输出引脚(引脚6)将输入频)的值成正比。

因此，输入频率(FIN)成正比的电压(VOUT)率和定时元件(R1和C1将可在负载电阻R4 。

电路图注意事项该电路可组装在一个VERO板上。

我用15V直流电源电压(+ VS)，同时测试电路。

LM331可从5至30V DC之间的任何操作。

R3的值取决于电源电压和方程是R3 =(VS - 2V)/(2毫安)。

根据公式，VS = 15V，R3 = 68K。

输出电压取决于方程，VOUT =((R4)/(R5 + R6))* R1C1 * 2.09V *翅。

壶R6可用于校准电路。

LM331 电压频率(VF)变换电路

SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700DLB700DPART NO.BLUE OVAL LAMP LEDMODEL SPECIFICATIONS[Contents]1. Devices --------------------------------------------------2. Outline Dimensions -----------------------------------3. Absolute Maximum Ratings -------------------------4. Electro-Optical Characteristics ----------------------5. Reliability Tests ----------------------------------------6. Characteristic Diagrams ------------------------------7. Bin Code Description ---------------------------------8. Packing --------------------------------------------------9. Soldering Profile ---------------------------------------10. Reference ------------------------------------------------11. Precaution For Use -------------------------------------22345689121314SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D1. DEVICESColor DiffusionSourceLensPart NumberDice SourceColorBlueInGaNDiffused Blue LB700D 2. OUTLINE DEMENSIONSNotes : 1. All dimensions are in millimeters.2. Protruded epoxy is 1.0mm maximum.1.02.5±0.05MIN28.0MIN1.0CATHODEMAX1.0DETAIL+0.2-0.00.50.5±0.055.25±0.23.75±0.17.06±0.1XYSEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D3. ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS (at T a = 25ºC)mW 125P D Power Dissipation V 5V R Reverse Voltage ºC260 ºC for 10 second 2T SSolder TemperatureºC -30 ~ 85T opr Operating Temperature mA 100I FP 1Forward Peak Pulse CurrentºC -40 ~ 100T stg Storage Temperature mA 30I F DC Forward Current UnitValueSymbolItemNotes : 1. t ≤0.1ms, D = 1/102. 3mm bellow seating planeSEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D4. ELECTRO-OPTICAL CHARACTERISTICS (at I F = 20mA, T a = 25ºC)nm 476470464λdDominant Wavelength 5--500300V 4.03.6-V F Forward Voltage µA-I RReverse Current (at V R = 5V)Max.Typ.Min.deg.100/502θ½View AngleMcd I VLuminous Intensity 1UnitValueSymbolItemNote : 1. Luminous Intensity Tolerance ±10%SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D5. RELIABILITY TESTS0/221 time 1kV, 1.5k Ω; 100pFESD(Human Body Model)0/50100cyclesT a = -40ºC (30min) ~ 100º(30min)(Transfer time : 5sec, 1Cycle = 1hr)Thermal Shock 0/22100hrsT a = 85ºC, RH = 85%I F = 8mATemperature HumidityOperating0/221000hrs T a = 85ºC, RH = 85%Temperature HumidityStorage 0/221000hrs T a = -40ºC Low TemperatureStorage 0/221000hrs T a = 100ºC High TemperatureStorage 0/220/220/220/22Failures1 time T s = 255 ±5ºC, t = 10sec Resistance to solderingHeat 1000hrs T a = 85ºC, I F = 8mA High TemperatureOperating 1000hrsT a = -30ºC, I F = 20mALow TemperatureOperating 1000hrs T a = RT, I F = 30mA Life Test NoteConditionItem< Judging Criteria For Reliability Tests >LSL 2 X 0.5I VUSL X 2.0I R USL 1X 1.2V F Notes : 1. USL : Upper Standard Level 2. LSL : Lower Standard Level.SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D6. CHARACTERISTIC DIAGRAMSI F = f (V F ),T a = 25ºCI rel = f (θ), T a = 25ºCOff Axis Angle vs. Relative Intensity Forward Voltage vs. Forward Current2.4 2.6 2.83.0 3.2 3.4 3.6110100F o r w a r d C u r r e n t I F [m A ]Forward Voltage V F [V]-100-80-60-40-200204060801000.00.20.40.60.81.0Y XR e l a t i v e L u m i n o u s I n t e n s i t yOff Axis Angle [deg.]-40-20020406080100010203040F o r w a r d C u r r e n t I F [m A ]Ambient Temperature T a [oC]I V = f (I F ),T a = 25ºCI F = f (T a ), T a = 25ºCForward Current vs. Relative Intensity Ambient Temperature vs. Forward Current0510********0.00.40.81.21.6R e l a t i v e L u m i n o u s I n t e n s i t yForward Current I F [mA]SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D-40-200204060801000.50.60.70.80.91.01.11.21.3R e l a t i v e L u m i n u o s I n t e n s i t yAmbient Temperature T a [oC]I V /I V(25C)= f (T A ), I F = 20mA4005006007000.00.51.0R e l a t i v e L u m i n o u s I n t e n s i t yWavelength [nm]I rel = f ( λd), T A = 25ºC, I F = 20mA Wavelength vs. Relative Intensity Ambient Temperature vs. Relative IntensitySEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D7. BIN CODE DESCRIPTION21TForward VoltageColor RanksIntensity BIN CODE800600U450300S 600450T Max.Min.BIN CODE Intensity (mcd) @ I F =20mA 3.23.00 4.03.843.63.42 3.83.63 3.43.21Max.Min.BIN CODE Forward Voltage (V) @ I F =20mA 47647024704641Max.Min.BIN CODE Dominant Wavelength (nm)@ I F =20mASEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D8. PACKING(1) Antistatic poly vinyl bag apply Poly bag:5φLamp Series : 500pcs 3φLamp Series : 500pcs(2) Inner box structureBox : 2 poly bags(3) Outer box structure Box : 27 boxes485.0mm260mm315.0m m70m m170mm97.0m mLX000LXXXXQTY :pcsLOT : 200X.XX.XX XXXSEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTDOOORANK1) Bulk PackingSEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D2) Tapping Outline DimensionsH oPoW 1DoW 2WW oFP0±1.30±2.0φ4.0±0.55.0±0.512.7±0.312.7±0.59.0±0.51.0±0.513.0±0.318.0 +1.0W2DoW1F Wo Po W P Ho *Package Dimensions (unit : mm )-0.5 1 Box contain quantity.* Remark : Ho -users define.∗ 3φLamp Series : 3000pcs * 5φLamp Series : 2000pcsSEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D 3) Forming Outline DimensionsDoPo PH H 1H o WW oW 1FW 2φ4.0±0.55.0±0.512.7±0.312.7±0.59.0±0.51.0±0.513.0±0.318.0 +1.0W1Do WoF WPo H1 *P Ho *W2H *Package Dimensions (unit : mm )-0.5 1 Box contain quantity.∗ 3φLamp Series : 2000pcs* 5φLamp Series : 1500pcs * Remark : H / Ho / H1-users define.SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D 9. SOLDERING PROFILE1) Wave Soldering Conditions / Profile•Preliminary heating to be at 85ºC(120 ºC max)for 20 seconds(60 seconds max).•Soldering heat to be at 235 ºC (260ºC max) for 5 seconds (10 seconds max.)•Soak time above 200 ºC is 5 seconds2) Hand Soldering conditions•Not more than 5 seconds at max. 300ºC, under Soldering iron.024681012141618202224262830323436050100150200250T e m p e r a t u r e [O C ]T im e [s ]PREHEAT 20s (30s Max)85 ºC(100 ºC max)PEAK5s (10s Max)235 ºC(260 ºC Max)Note : In case the soldered products are reused in soldering process, we don’t guarantee the products.SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D 10. PART NUMBERING SYSTEM*8***-******L CB A 76543211) Lamp LED initial2) ColorU: Ultra Violet, B : Blue (460~490nm), C : Cyan (490~510nm)T : True Green (510~540nm), G : Yellow-Green (540~580nm)Y : Yellow (580~600nm) O : Orange (600~620nm) R : Red (620~700nm)W : WhiteM : WarmI : Infrared 3) If the products have 2 or 3chipsGR : Green + Red ( according to wavelength), FL : Full color4) Outline type1 : 3x2(square),2 : 5x2(square),3 : Phi3,5 : Phi 5 ,6 : 3Phi Oval,7 : 5Phi Oval5) Half angle1: ~14O , 2: 15~24O , 3: 25~34O , 4: 35~44O , 5 : 45~54O …0 : more than 100O6) 1st Development according to a chip7) 2nd Development (other material)D : diffused C : colored Z : zener chip attached8) Stand off typeA, B, C : Bin cord description A: IV, B: WD C: VFSEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D 11. PRECAUTION FOR USE1)In order to avoid the absorption of moisture, it is recommended to store in the dry box (or desiccators) with a desiccant . 2)In case of more than 1 week passed after opening or change color of indicator on desiccant components shall be dried 10-12Hr, at 60±5℃.3)In case of supposed the components is humid, shall be dried dip-solder just before, 12Hr at 80±5℃or 10Hr at 100±5℃.4)Any mechanical force or any excess vibration shall not be accepted to apply during cooling process to normal temp. after soldering.5)Quick cooling shall not be avoid.6)Components shall not be mounted on warped direction of PCB.7)Anti radioactive ray design is not considered for the products listed here in.8)This device should not be used in any type of fluid such as water, oil, organic solvent and etc. When washing is required, IPA should be used.9)When the LEDs are illuminating, operating current should be decided after considering the ambient maximum temperature.10)LEDs must be stored to maintain a clean atmosphere. If the LEDs are stored for 3 monthsor more after being shipped from SSC, a sealed container with a nitrogen atmosphere should be used for storage.11)The LEDs must be soldered within seven days after opening the moisture-proof packing.12)Repack unused products with anti-moisture packing, fold to close any opening and then store in a dry place.13)The appearance and specifications of the product may be modified for improvementwithout notice.。

频率—电压转换器电路的设计

目录1. 绪论 (1)2．电路设计方案 (2)2.1频率-电压转换器电路的设计要求 (2)2.2频率-电压转换器电路的组成框图 (2)2.3频率-电压转换器电路的原理 (2)3. 单元电路的设计 (3)3.1比较器电路的设计 (3)3.2F/V变换器电路的设计 (4)3.3反相器电路的设计 (6)3.4反相加法运算电路的设计 (8)4.总电路原理图 (11)5元器件介绍 (12)5.1元器件清单 (12)5.2元器件介绍 (12)6. 频率-电压转换器电路的组装与调试 (18)6.1组装 (18)6.2调试 (19)7.参考文献 (21)频率—电压转换器电路的设计1. 绪论2．电路设计方案2.1 频率-电压转换器电路的设计要求2.2 频率-电压转换器电路的组成框图本课程设计，频率—电压转换器电路的组成框图如图所示：图1 频率-电压转换器电路原理框图基本流程如下：2.3 频率-电压转换器电路的原理频率-电压转换器电路是由比较器，F/V变换器，反相器和反相加法器组成，在各集成电路接通电源正常工作的情况下，输入被测正弦信号，通过比较器电路将正弦信号转换为方波信号后输出，然后再由F/V转换器电路将方波转换为所需要的直流电压信号后输出，反相器电路将输入进来的直流信号转换为原来的反相电压信号输出，输出信号和参考电压VR一起组成加法运算的两个输入电压信号，通过加法运算电路的功能和调节参考电压的大小输出满足条件的直流电压信号。

3. 单元电路的设计3.1 比较器电路的设计3.1.1 比较器基本电路图2 比较器基本电路3.1.2 比较器电路的原理比较器是一种用来比较输入信号Vi和参考电压V REF的电路。

基本电路如图所示。

参考电压V REF加于远算放大器的反相输入端，它可以是正值，也可以是负值。

而输入信号Vi则加在远算放大器的同相输入端。

这时，运放处于开环工作状态，具有很高的开环电压增益。

当输入信号Vi小于参考电压V REF时，即差模输入电压V ID=Vi-V RE F<0时，运放将处于负饱和状态，V O=V OL；当输入信号Vi升高大于V REF时，即V ID=Vi-V RE F>0时，运放处于正饱和状态，V O=V OH。

1LM331_LM331工作原理及典型应用

电压-频率变换器LM331LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片。

LM331可用作精密的频率电压（F/V）转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。

LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚如图3所示。

LM331内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。

输出管采用集电极开路形式，因此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，从而适应TTL、DTL和CMOS 等不同的逻辑电路。

此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4～40V，输出也高达40V。

IＲ（PIN1）为电流源输出端，在f０（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源ＩＲ输出对电容ＣＬ充电。

引脚2（PIN2）为增益调整，改变ＲＳ的值可调节电路转换增益的大小。

f０（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由Ｒt和Ｃt决定。

引脚4（PIN4）为电源地。

引脚5（PIN5）为定时比较器正相输入端。

引脚6（PIN6）为输入比较器反相输入端。

引脚7（PIN7）为输入比较器正相输入端。

引脚8（PIN8）为电源正端。

LM331频率电压转换器V/F变换和F/V变换采用集成块LM331，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用。

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。

同时它动态范围宽，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。

图2是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。

LM331工作原理

LM331工作原理一、LM331内部电路图及各管脚定义图1 LM331内部电路图LM331内部有输入比较电路、定时比较电路、R-S触发电路、复零晶体管、输出驱动管、能隙基准电路、精密电流源电路、电子开关、复位晶体管等部分。

输出管采用集电极开路形式，因此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，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4,40V，输出也高达40V。

下面就以以电压转换频率为例，介绍各引脚的作用，Ir(PIN1)为电流源输出端，在Fo(PIN3)输出逻辑低电平时，电流源，r输出对电容,L充电。

引脚2(PIN2)为增益调整，改变,,的值可调节电路转换增益的大小。

Fo(PIN3)为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由,t 和,t决定。

引脚4(PIN4)为电源地。

引脚5(PIN5)为定时比较器正相输入端。

引脚6(PIN6)为输入比较器反相输入端。

引脚7(PIN7)为输入比较器正相输入端。

引脚8(PIN8)为电源正端。

二、LM331频率-电压转换工作原理图2 LM331的频率-电压转换原理图HFBR2412由光信号转为电信号，输出低电平到6N137的3脚，此时5V电压通过R14降压后，输入6N137的2脚使发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管反向偏置的光敏管光照后导通，经电流-电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。

脉冲信号由6脚输出，输出到C15与R15组成微分电路加到LM331的6脚，6脚使LM331内部输入比较器的反向输入端，7脚通过12V由R16、R19分压后到输入比较器的同向输入端。

当输入脉冲的下降沿到来时，经微分电路R1、C1产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的上，当负向尖脉冲大于Vcc/3即4V 时，输入比较器输出高电平使内部的R-S触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源通过LM331的1脚对电容C17充电，同时，复零晶体管导通，定时电容C16迅速放电，完成一次充放电过程。

LM331压频转换课程设计论文

课程设计(论文)说明书设计课题：线性电压/频率变换器院（系）：电子工程与自动化专业：测控技术与仪器学生姓名：李金鹏学号： 0900820214指导教师：王月娥2012年1月11日摘要设计电压/频率变换电路，可以利用集成芯片LMx31 来实现。

其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。

LMx31 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。

利用专业的设计和仿真软件（如Proteus），设计并仿真U/F 变换电路。

关键词：V/F转换器；LM331芯片；高精度；外围电路；线性度；AbstractThis task is to design a line voltage/frequency converter , it mainly constitute by the LM331 chip and its external circuit, realizing the input voltage converted into a certain frequency of the oscillating circuit, it has good linearity and higher conversion precision .Key words：V/F convertor;LM331 chip; High precision; External circuit; Linearity；目录引言 (4)1 设计任务 (4)1.1 任务说明 (4)1.2 任务分析 (4)2 设计方案选择及论证 (5)2.1方案一：采用555定时器组成的压频转换电路 (5)2.2 方案二：直接由LM331及其外围电路构成压频转换器 (6)2.3方案比较和选择 (6)3 电路设计原理、参数计算及测量结果比较 (7)3.1 芯片LM331的介绍 (7)3.2 LM331组成的压频转换器及其工作原理 (8)3.3 protel绘制原理图、器件选择及参数计算 (10)3.4电路仿真 (11)3.5 实际电路板测量与数据整理 (13)3.6 本次课题的结果及结论 (15)4 组装调试 (15)4.1 电路设计的中遇到的问题与解决方法 (15)4.2 实物图 (16)5 课设总结 (16)谢辞 (17)附件一 (18)附件二 (19)附件三 (19)参考文献 (20)引言随着电子技术和计算机技术的迅速发展，集成的电压频率变换电路在电子技术、自动控制、数字仪表、通信设备、调频、锁相和模数变换等许多领域得到广泛的应用。

电压频率转换器设计与实现

电压频率转换器VFC（Voltage Frequency Converter）是一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。

电压频率转换器也称为电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。

随电压—频率转换实际上是一种模拟量和数字量之间的转换技术。

当模拟信号（电压或电流）转换为数字信号时，转换器的输出是一串频率正比于模拟信号幅值的矩形波，显然数据是串行的。

这与目前通用的模数转换器并行输出不同，然而其分辨率却可以很高。

串行输出的模数转换在数字控制系统中很有用，它可以把模拟量误差信号变成与之成正比的脉冲信号，以驱动步进式伺服机构用来精密控制。

设计高精度电压转换器，可以利用LM324运算放大器与555定时器为核心器件的高精度线性电压频率转换器。

整个电路主要是由稳定电压源模块、信号输入模块、恒流源模块、输入信号变换模块、以555定时器为核心的压频转换模块等5个模块组成的。

本设计方案温漂小、抗干扰能力强、价格便宜、线性度较好、而且变换精度高。

关键词：555定时器；线性；电压频率转V oltage Frequency Converter VFC (V oltage Frequency Converter) is a kind of realizing the function of analog-to-digital conversion device, analog V oltage transform into pulse signal, the output pulse signal Frequency proportional to the size of the input V oltage. V oltage frequency converter is also known as voltage control oscillation (VCO) circuits, referred to as voltage-controlled oscillation circuit. Over voltage, frequency conversion, in fact, a kind of conversion between analog and digital technology. When analog signals (voltage or current) is converted to a digital signal, the output of the converter is a string of frequency is proportional to the analog signal amplitude of the rectangular wave, obviously is the serial data. This AD converter with the general parallel output is different, but its resolution can be very high. Serial output of the adc is useful in the digital control system, it can make analog error signal proportional to the pulse signal, to drive the stepping servo mechanism used for precise control.Design of high precision voltage converter, can use LM324 operational amplifier with 555 timer as the core device of high precision linear voltage frequency converter. The whole circuit mainly by the stable voltage source module, signal input module, a constant current source module, input signal transformation module, voltage frequency conversion to a 555 timer as the core module is composed of five modules, etc. This design scheme WenPiao small, strong anti-interference ability, cheap price, good linearity, high precision and transformation.Keywords: 555 timing; Linear; V oltage frequency conversion目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1 高精度电压频率转换的目的 (1)1.2 电压频率转换的应用 (1)1.3 论文主要内容 (2)第二章设计方案的确定 (3)2.1 实现电压频率转换的方法 (3)2.2 方案的分析 (3)2.2.1 通过多谐振荡器实现电压频率转换 (3)2.2.2 利用运算放大器与555时基电路组成的高精度电压频率转换 (7)2.3 方案的确定 (14)2.4 章节总结 (15)第三章高精度电压频率转换器的硬件设计 (16)3.1 元器件介绍 (16)3.1.1 555定时器 (16)3.1.2 LM324运算放大器 (19)3.2 工作原理 (22)3.2.1 稳定电压源模块 (22)3.2.2 信号输入模块 (23)3.2.3 恒流源模块 (24)3.2.4 输入信号变换模块 (24)3.2.5 555定时器为核心的压频转换模块 (24)3.3章节总结 (25)第四章仿真与分析 (26)4.1 系统仿真 (26)4.2 数据分析 (27)4.3 遇到的主要问题 (29)4.4 现象及原因分析 (29)4.5 解决措施及效果 (30)4.6 章节总结 (30)总结 (31)致谢 (32)参考文献 (33)附录：电压/频率转换器工作原理图............................. 错误!未定义书签。

基于LM331的宽频频率_电压转换电路

图1系统结构框图分频电路F iF i1主控电路频率/电压转换电路V f1放大电路V 0*基金项目：国家自然科学基金资助项目（61162017）在智能测量系统及自适应信号处理系统中，经常需要将频率信号转换为电压信号或将电压信号转换为频率信号[1-4]。

但是由于频率/电压转换芯片自身性能的限制，所设计的频率/电压转换电路能转换的频率范围一般比较小，很难处理频率比较高的信号。

因此，为了解决这些问题，必须对频率/电压转换电路所允许输入信号的频率范围进行扩展。

现阶段实现宽频频率/电压转换电路的方法是直接利用宽频频率/电压转换芯片，例如ADI 公司生产的基于ΣΔ技术的频率/电压转换芯片AD7740、AD7741、AD652、AD654、AD650及ADVFC32等[5-6]。

但是这些芯片构成的频率/电压转换电路的允许频率范围最大也只有3MHz 左右，而且芯片的成本较高，构成的电路结构比较复杂，功耗较大。

本文提出了一种利用分频及放大原理对LM331的频率转换范围进行扩展的方法，设计了一种宽频频率/电压转换电路，解决了一般频率/电压转换芯片转换频率低的问题。

1硬件电路设计1.1系统框图基于LM331的宽频频率/电压转换电路的系统结构框图如图1所示，它由主控电路、分频电路、频率电压转换电路、放大电路四部分组成。

主控电路采用AT89S52单片机作为主控芯片；分频电路采用高速双D 型触发器、十进制同步加/减计数器、双4选1数据选择器来实现；频率/电压转换电路由频率/电压转换芯片LM331及一些电阻电容构成；放大电路由运算放大器、双向模拟开关及电阻网络来实现。

为了实现宽频频率电压转换，首先将整形后待处理信号经400分频后，由AT89S52单片机测量信号频率并选择合适的分频比，控制分频电路重新对整形后的信号基于LM331的宽频频率/电压转换电路*张维昭，马胜前，冉兴萍（西北师范大学物理与电子工程学院甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室，甘肃兰州730070）摘要：提出了一种利用分频电路和放大电路实现对LM331构成的频率/电压转换电路输入信号频率范围进行扩展的方法，实现了1kHz ～30MHz 信号的频率/电压转换。

LM331工作原理

输出管采用集电极开路形式，因此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，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4～40V，输出也高达40V。

下面就以以电压转换频率为例，介绍各引脚的作用，Ir（PIN1）为电流源输出端，在Fo（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源Ｉr输出对电容ＣL充电。

引脚2（PIN2）为增益调整，改变ＲＳ的值可调节电路转换增益的大小。

Fo（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由Ｒt和Ｃt决定。

引脚4（PIN4）为电源地。

引脚5（PIN5）为定时比较器正相输入端。

引脚6（PIN6）为输入比较器反相输入端。

引脚7（PIN7）为输入比较器正相输入端。

引脚8（PIN8）为电源正端。

当输入脉冲的下降沿到来时，经微分电路R1、C1产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的上，当负向尖脉冲大于Vcc/3即4V时，输入比较器输出高电平使内部的R-S触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源通过LM331的1脚对电容C17充电，同时，复零晶体管导通，定时电容C16迅速放电，完成一次充放电过程。

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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
ORG 0150H
SEVER2: MOV TL0,#00H
MOV TH0,#00H
LCALL ZHUAN
RETI
ORG 0200H
ZHUAN: CLR C
MOV A,TL0
ADD A,#00H
DA A
MOV TL0,A
MOV P0,A
MOV A,TH0
ADDC A,#00H
DA A
MOV TH0,A
代入上式
输出频率fo与电压ui成正比
3
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
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
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
[5]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.电子工业出版社，2009
Ui=5.5V f=8.93 kHZ
2）仿真数据
电压/V
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
频率/kHZ
2.08
2.84
3.6
4.4
5.13
5.88
6.67
7.41
8.2
8.93
4.1.2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
5
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，得到的频率信号质量能提高。
◆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：
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：
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：
1）仿真图形及数据
Ui=1V f=2.08 kHZ
Ui=1.5V f=2.84 kHZ
Ui=2V f=3.60 kHZ
Ui=2.5V f=4.40 kHZ
Ui=3V f=5.13 kHZ
Ui=3.5V f=5.88 kHZ
Ui=4V பைடு நூலகம்=6.67 kHZ
Ui=4.5V f=7.41 kHZ
Ui=5V f=8.20 kHZ
关键词：电压频率转换；计数；LED数码管显示
1
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。
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。
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。
参考文献
[ 1 ]先锋工作室单片机程序设计实例[M ]清华大学出版社,2003, 11
[2]林汉LM 331压频转换器的原理及应用[J ]国外电子元器件, 1999, 101
[3]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, 31
[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, 1996
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
附录
附录2
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0003H
LJMP SEVER1
ORG 0013H
LJMP SEVER2
ORG 0030H
MAIN: MOV TMOD,#05H
SETB EX0
SETB EX1
SETB IT0
SETB IT1
SETB EA
SETB TR0
MOV P0,#00H
MOV P1,#00H
SS: JNB P3.5,STOP
AJMP SS
STOP: CLR TR0
AJMP SS
ORG 0100H
SEVER1:NOP
NOP
LCALL ZHUAN
CJNE A,#99H,REL
MOV A,TL0
CJNE A,#99H,REL
MOV TL0,#0FFH
MOV TH0,#0FFH
REL: RETI
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。
系统原理框图如图1所示。
图2系统原理框图
2
2.1利用LM331实现电压频率转换电路设计
图3 LM331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。
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。
1
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。