模拟电子技术课程设计大型货车制动过热自动控制系统.docx
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模拟电子技术课程设计大型货车制动过热自动控制系统
模拟电子技术课程设计
课题:
频率/电压变换器
学院:
电气与电子工程学院
专业:
自动化
班级:
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400Hz~4kHz范围内变化时,对应输出的直流电压V0在2V~10V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、采用±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重复频率成正比。
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
LM331的原理框图如图5-1-1所示。
此时,①脚是输出端(恒流源输出),⑥脚为输入端(输入脉冲链),⑦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S=1(高电平),
=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
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),
=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的平均充电电流为I×(1.1RtCt)×fi
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:
可见,当RS、Rt、Ct、RL一定时,Vo正比于fi,显然,要使Vo与fi之间的关系保持精确、稳定,则上述元件应选用高精度、高稳定性的。
3.LM331用作FVC的典型电路
图5-1-2
Vi2
V02
RL
Rx=51k
6.7kRt
Rs{
0.01uFCt
5k
LM331用作FVC的电路如图5-1-2所示
对于一定的fi,要使Vo为一定值,可调节RS的大小。
恒流源电流I允许在10
A~500
A范围内调节,故RS可在190kΩ~3.8kΩ范围内调节。
一般RS在10kΩ左右取用。
又因为
在此,VCC=+12V
所以Rx=50kΩ根据实际需取Rx=51kΩ
其中,RL=100kΩ,Ct=0.01uF,
取RS=14kΩ
则Vo=fi×10–3V
由此得Vo与fi在几个特殊频率上的对应关系如表5-1-1所示。
表5-1-1Vo和fi的关系
fi(Hz)
400
1300
2200
3100
4000
Vo(V)
0.4
1.3
2.2
3.1
4.0
图5-1-2中fi是经过微分电路470pF和10kΩ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fi应是方波。
4、整机方框图和整机电路图
(1)整机方框图如图5-1-3所示。
频压转换器
2V~10V
图5-1-3
参考电压VR
fi=400~4kHZ
正弦波
0.4~4v
-0.4~-4V
反相加法器
反相器
函数
波形
发生
器
比较器
函数波形发生器输出的正弦波经过比较器变换成方波。
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VR通过反相加法器得到符合技术要求的Vo。
(2)整机电路如5-1-4所示,
5、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。
由公式,
,
,
得:
R1=1KΩ,R2=1.8KΩ,C1=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—峰值。
函数波形发生器电路图如下:
(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,所以运算放大器采用低失调运放OP07。
由于LM331的负载电阻RL=100kΩ(见图5-1-2),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。
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—--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。
已知Vo3=-Vo2=-fi×10-3V
∵
(1)
技术要求
fi=400Hz时,Vo=2V
fi=4000Hz时,Vo=10V
即
(2)
对照
式和
式,可见应有
若取R10=R9=20kΩ,则
∴R6=9kΩ,用两个18kΩ电阻并联获得。
平衡电阻R11≈R10/R6//R9=4.7kΩ。
(4)参考电压VR可用电阻网络从-12V电源电压分压获取,如图5-1-8所示。
若取R7=1kΩ,则R8//R7=0.952kΩ
Rw2+R2=9.3296kΩ
取R2=6kΩ
Rw2用5kΩ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10μF/16V。
(5)比较器(一般单限电压比较器)
6、仿真过程
由于multisim10.0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:
7、测量和调整
由于multisim10.0.1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:
Vi1应为直流电平≈0,幅度≈0.22VCC的正弦波。
Vo1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。
Vo2应为正直流电压,Vo3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5-1-4中的电位器,将函数波形发生器的输出信号频率fi调到400Hz。
此时:
Vo2=0.4V,否则调整Rw1((整机电路中的标号)。
Vo3=-0.4V,否则调整R4。
VR=-10/9V,否则调整Rw2。
Vo=2V,否则分别检查VR、Vo3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5-1-2有关点直流电压V与fi的关系
fi(Hz)
400
1300
2200
3110
4000
Vo2(V)
0.4
1.3
2.2
3.1
4.0
Vo3(V)
-0.4
-1.3
-2.2
-3.1
-4.0
VR(V)
-10/9
-10/9
-10/9
-10/9
-10/9
Vo(V)
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
8、主要元器件
LM331:
引脚号
引脚名
功能
1
CurrentOutput
电流输出
2
RefCurrent
基准电流
3
FrequencyOutput
频率输出
4
GND
接地
5
R/C
接RC定时电路
6
Thresholod
阈值
7
ComparatorInput
比较输入
8
VS
电源
LM331器件管脚图
LM324:
封装:
SOP制造商:
IPC-2221A/2222
OP07CP:
封装:
PDIP-8制造商:
IPC-2221A/2222
UA741:
封装:
DIP8制造商:
IPC-2221A/2222
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5-1-4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,从而提高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,但我们能积极的应对并解决。
同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。
由于对在正弦波与方波之间的转换的内容不是很清楚,这就导致了我无法顺利的连接电路,通过仔细研究课本上有关的内容,查资料,我们终于解决了不懂得问题!
这次课程设计让我学到了很多,不仅是巩固了先前学的模电,电路的理论知识,而且也培养了我的动手能力,更令我的创造性思维得到拓展。
希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些!
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