1、数字信号处理及 MATLAB 实现 课程设计微机原理与单片机接口技术课程设计报告基于压频转换芯片的数据采集系统设计2014 年 1 月学 院：班 级：实验人/学号：同组人/学号：指 导 老 师：数字信号处理及 MATLAB 实现 课程设计摘 要 .1第一章 设计任务 .2第一节 设计方案选择及论证 .21.1.1 任务分析 .21.1.2 方案一 .21.1.3 方案二 .31.1.4 方案比较和选择 .3第二节 芯片 LM331 的介绍 .42.1 LM331 的电路内部结构框图 .42.3 LM331 组成的压频转换器及其工作原理 .5第三章 具体任务实现 .83.1 压频转换原理: .8
2、3.2 proteus电路仿真 .93.3 实际电路板测量 .113.4 实际测量数据 .123.5 本次课题的结果及结论 .133.6组装调试 .13总 结 .14附 件 .161. 运行程序 .162. 元器件清单 .18参考文献 .19数字信号处理及 MATLAB 实现 课程设计0摘 要设计电压/频率变换电路，可以利用集成芯片 LM331 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。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。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
3、键词：V/F 转换器；LM331 芯片；高精度；外围电路；线性度；数字信号处理及 MATLAB 实现 课程设计1第一章 设计任务第一节 设计方案选择及论证1.1.1 任务分析设计一个压频转换电路，其具体指标要求如下：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 05V时，输出振荡的频率为 1010KHZ3） 输入电压和输出频率之间有良好的线性关系1.1.2 方案一：采用 555 定时器组成的压频转换电路555 压频转换电路采用集成时基电路 555构成的压频转换电路，IC 运算放大器接成同相放大器，其放大1倍数 ，其放大量由 K ，K 来控制。IC 与 C 、C 、RP 等
4、构成有源积分电路，1AFRK122341当积分电压下降至 555触发电平（ V ）时，555 置位。同时，VT 导通，积分电容迅即3D放电，积分电压 V 通过 R 对 C 充电，当 C上电压升高至 V 时，555 复位，形成震荡。292 3D因此，输出电压转换成一定频率的震荡波。当输入信号电压在 0-2V时，输出震荡的频率为数字信号处理及 MATLAB 实现 课程设计210H -10KHZ1.1.3 方案二：直接由 LM331 及其外围电路构成压频转换器LM331压频转换电路上图即为 LM331及其外围电路组成的压频转换器。其中每个管脚元器件的连接都是典型的电路连接，如管脚为一个低通的 RC滤
5、波电路；、管脚相连，并连接一个 RC电路；管脚为一个 RC的充电电路；管脚接工作电压，管脚为输出且并联一个上拉电阻。1.1.4 方案比较和选择方案一中，要使用芯片 555，要实现压频转换基本要四部分组成。首先利用运放设计积分电路，目的是为了电容的充放电。将其连接到由 555都构成的单稳态电路上，利用三极管的导通和截止构成电子开关控制恒流源。这个方案用了很长的时间在各个模块的连接上，但是最后还是不能得到实验的线性要求。方案二中，用集成的芯片 LM331使实验变得简单，直接解决了单稳态电路、电子开关、恒流源的连接的设计。直接由 LM331及其外围的典型电路关系，即可简便的组成一个 V/F转换电路，
6、能够达到本次课题的要求，又能提高资源的利用率，因此本次课题，选择方案三。运用 LM331实现压频转换，具有电路简单，成本低廉，测量精度高并且转换位数可调的特点，在实际工作之前，对电路器件参数进行调校，调校之后，系统稳定性好。数字信号处理及 MATLAB 实现 课程设计3第二节 芯片 LM331 的介绍2.1 LM331 的电路内部结构框图如图所示为 LM331的内部结构图，外部形状为 DIP8型。由基准电压源 BAND-GAP，镜象电流源，电子开关 CURRENT，运算放大器 A1，A2，A3，R-S 触发器组成。 “2”脚通过电阻 Rs接地，电源端“8”脚通过电阻 RT串接电容 CT接地，它
7、们的串接点接“5”脚，比较器 A2的输出端接 RS触发器的置位端，当它为“1”时，RS 触发器置位（即 Q为“1”） ， 比较器 A3的输出端接 RS触发器的复位端，当它为“1”时，RS 触发器复位（即 Q为“0” ） 。 RS触发器 Q端接电子开关，Q=1 时，电子开关接左端点，Q=0 时，电子开关接右端点。LMx3系列芯片是集成的 U/F,F/U 变换器，包括LM131ALM131、LM231ALM231、LM331ALM331 等。这类集成芯片的性价格比较高。LM131/231/331 内部具有新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和电源电压低到 4.0V 时，也具有极高的精度，
8、能满足 100kHz 的 UF 转换所需要的高速响应，其内部精密定时电路具有低的偏置电流，高压输出可达 40V，可防止+ V 端的短路，另外其输出可数字信号处理及 MATLAB 实现 课程设计4驱动 3 个 TTL 负载。这类器件常常应用于 AD 转换、精密 FU 转换、长时间积分、线性频率调制和解调、数字系统、计算机应用系统等方面。2.2 LM331 芯片的引脚简介：引脚为电流源输出端，在 fo（引脚三）输出逻辑低电平时，电流源输出对电容充电。引脚为增益调整，改变管脚所接电阻的值可调节电路转换增益的大小。引脚为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由管脚所接t 和t 决定。引脚为电源地。引脚为定
9、时比较器正相输入端。引脚为输入比较器反相输入端。引脚为输入比较器正相输入端。引脚为电源正端。2.3 LM331 组成的压频转换器及其工作原理刚接电源时 C 和 C 两个电容上没有电压，若输入控制电压 Vi为大于零的值,则比较器LTC 的输出 1，而比较器 C 的输出 0，锁存器被置成 Q=1状态。Q 端得高电平使与 T 导通，1 2 2V =0。同时镜像电流源输出端开关 S接到引脚 1一边，电流 I 向 C 开始充电。而 Q的低0 0L电平使 T 截止，所以 C 也同时开始充电。3T当 C 的电压上升到 2/3Vcc时，锁存器被置成 Q=0，T 截止，V =1.同时开关转接到地，20C 开始向
10、 R 放电。而 Q变成高电平后使 T 导通，C 通过 T 迅速放电至 V =0,并使比较LL 33CT器 C 输出为 0。2当 C 放电到 V Vi时，比较器 C 输出为 1，重新将锁存器置成 Q=1，于是 V 又跳变成LCL1 0低电平，C 和 C 开始充电，重复上面的过程。如此反复，便在 V 端得到矩形输出波形。根T 0数字信号处理及 MATLAB 实现 课程设计5据每个震荡周期中 C 的充电电荷与放电电荷守恒，据此就可以计算震荡震荡频率了。L首先计算 C 的充电时间 T .它等于 Q=1的持续时间，也就是电容 C 上的电压从 0充电L1 T到 2/3Vcc的时间，故得 T1=R C ln
11、 = R C ln3=1.1 R CVc320TC 在充电期间获得的电荷为 Q =（ ）T =（ ）T ，式中的 为流过电阻 RL 1LI01LViI01RLI上的电流。若震荡周期为 T、放电时间为 T ，则 T =T- T 。又知 Cl的放电电流为 = ，又因221 RLIVi放电期间 Cl释放的电荷为 Q = T = （ T- T ）RLILVi根据 Q1与 Q2相等，即得到 （ ）T = （T- T ）01LRi1T= iI0故电路的震荡周期为 f= =T110RIViL将 、T =1.1 R C 代入上式而且知道 =1.9V，故得到 f=SREFVI01 REFViLTSVRC09.2
12、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 6 7 Q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 1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、CLQ数字信号处理及 MATLAB 实现 课程设计6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
13、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）fiCL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）fiRL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itSLofCR09.2V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。对于一定的 fi，要使 Vo为一定植，可调节 RS的大小。恒流源电流 I允许在 10 A500A范围
14、内调节，故 RS可在 190k3.8 k 范围内调节。一般 RS在 10k 左右取用。m2.0VRCx在此，V CC=12V所以 Rx=50k 取 Rx=51 kitSLof09.2取 RS=14.2 k则 Vo=fi10 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。Vo 和 fi 的 关系Fi(Hz) 200 650 1100 1551 2000Vo(V) 0.2 0.65 1.1 1.55 2.0数字信号处理及 MATLAB 实现 课程设计7第 3 章 具体任务实现3.1 压频转换原理:压频转换原理图有上图可以看出，其中管脚的RC滤波器中，因为通过仿真结果得当R1改变时，对输出波形频率不影响，因此R1选择100K，这将抵消6管脚失调电流所起的作用，有助于获得最小频偏。Rs =50k的电位器和R6 = 5k，作用是调节增益偏差和由RL、Rt、Ct引起的偏差，以及校正输出频率。电路中47电阻和1uF电容C 产生迥差效果有助于输出比较器获得更加L的线性度。理论计算：当 R =50K R =4.8K时，STVi=0V时， 计算得 f =0 H ； Vi=0.5V 时， 计算得 f =2500 H0Z 0ZVi=1V时， 计算得 f =5000 H ； Vi=1.5V 时， 计算得 f =7500 HVi=2V时， 计算得 f =10K H0Z
