模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)---大型貨車(chē)制動(dòng)過(guò)熱自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、<p>　　模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)</p><p>　　課 題：頻率/電壓變換器</p><p>　　學(xué) 院：電氣與電子工程學(xué)院</p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化</p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　本課題介紹一種頻率/電壓變換器的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)

2、本課題要求熟悉集成頻率/電壓變換器LM331的主要性能和典型應(yīng)用，掌握運(yùn)算放大器基本電路的原理，并掌握它們的設(shè)計(jì)、測(cè)量和調(diào)整方法。</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　1、學(xué)習(xí)頻率/電壓變換器的設(shè)計(jì)方法；</p><p>　　2、掌握集成電路LM331的設(shè)計(jì)方法；</p><p>　　3

3、、掌握反相器和反相加法器的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　二、設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　1、當(dāng)正弦波信號(hào)的頻率fi在400Hz～4kHz范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出的直流電壓V0在2V～10V范圍內(nèi)線性變化。</p><p>　　2、正弦波信號(hào)源采用函數(shù)波形發(fā)生器（參見(jiàn)課題三）。</p><p>　　3、采用±12V電源供電

4、。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)說(shuō)明</b></p><p><b>　　1.方案選擇</b></p><p>　　可供選擇的方案有兩種：</p><p>　?。?）用通用型運(yùn)算放大器構(gòu)成微分器，其輸出與輸入的正弦信號(hào)頻率成正比。</p><p>　?。?）直接應(yīng)用頻

5、率電壓變換專(zhuān)用集成塊LM331，其輸出與輸入的脈沖信號(hào)重復(fù)頻率成正比。</p><p>　　因?yàn)樯鲜龅冢?）種方案的性能價(jià)格比較高,故本課題用LM331實(shí)現(xiàn).</p><p>　　2. LM331用作FVC時(shí)的工作原理框</p><p>　　LM331的原理框圖如圖5-1-1所示。此時(shí)，①腳是輸出端（恒流源輸出），⑥腳為輸入端（輸入脈沖鏈），⑦腳接比較電平。<

6、/p><p>　　當(dāng)輸入負(fù)脈沖到達(dá)時(shí),由于腳電平低于腳電平,所以S=1(高電平)，=0（低電平）。此時(shí)放電管T截止，于是Ct由VCC經(jīng)Rt充電，其上電壓VCt按指數(shù)規(guī)律增大。與此同時(shí)，電流開(kāi)關(guān)S使恒流源I與腳接通，使CL充電，VCL按線性增大（因?yàn)槭呛懔髟磳?duì)CL充電）。</p><p>　　經(jīng)過(guò)1.1RtCt的時(shí)間，VCt增大到2/3VCC時(shí)，則R有效（R=1，S=0）， =0，Ct、CL再次

7、充電。然后，又經(jīng)過(guò)1.1RtCt的時(shí)間返回到Ct、CL放電。以后就重復(fù)上面的過(guò)程，于是在RL上就得到一個(gè)直流電壓Vo（這與電源的整流濾波原理類(lèi)似），并且Vo與輸入脈沖的重復(fù)頻率fi成正比。</p><p>　　CL的平均充電電流為 I×（1.1RtCt）×fi</p><p>　　CL的平均放電電流為Vo/RL</p><p>　　當(dāng)CL充放電

8、平均電流平衡時(shí)，得：</p><p>　　Vo=I×（1.1RtCt）×fi×RL</p><p>　　式中I是恒流電流，I=1.90V/RS</p><p>　　式中1.90V是LM331內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓（即2腳上的電壓）。</p><p><b>　　于是得：</b></p>

9、<p>　　可見(jiàn)，當(dāng)RS、Rt、Ct、RL一定時(shí)，Vo正比于fi，顯然，要使Vo與fi之間的關(guān)系保持精確、穩(wěn)定，則上述元件應(yīng)選用高精度、高穩(wěn)定性的。</p><p>　　3．LM331用作FVC的典型電路</p><p>　　LM331用作FVC的電路如圖5-1-2所示</p><p>　　對(duì)于一定的fi，要使Vo為一定值，可調(diào)節(jié)RS的大小。恒流源電流I

10、允許在10A~500A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故RS可在190kΩ~3.8 kΩ范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。一般RS在10kΩ左右取用。</p><p><b>　　又因?yàn)?</b></p><p>　　在此， VCC=+12V</p><p>　　所以 Rx=50kΩ 根據(jù)實(shí)際需取 Rx=51 kΩ</p><p>　　其

11、中，RL=100k?，Ct=0.01uF,</p><p>　　取 RS=14k?</p><p>　　則 Vo=fi×10 –3V</p><p>　　由此得Vo與fi在幾個(gè)特殊 頻率上的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5-1-1所示。</p><p>　　表5-1-1 Vo和fi的關(guān)系</p><p>

12、　　圖5-1-2中fi是經(jīng)過(guò)微分電路470pF和10 kΩ加到6腳上的。6腳上要求的觸發(fā)電壓是脈沖，所以圖5-1-2中的fi應(yīng)是方波。</p><p>　　4、整機(jī)方框圖和整機(jī)電路圖</p><p>　?。?）整機(jī)方框圖如圖5-1-3所示。</p><p>　　函數(shù)波形發(fā)生器輸出的正弦波經(jīng)過(guò)比較器變換成方波。方波經(jīng)F/V變換器變換成直流電壓。直流正電壓經(jīng)反相器變成負(fù)

13、電壓，再與參考電壓VR通過(guò)反相加法器得到符合技術(shù)要求的Vo。</p><p>　?。?）整機(jī)電路如5-1-4所示，</p><p>　　5、函數(shù)波形發(fā)生器，比較器電路，反相器和反相加法器的設(shè)計(jì)計(jì)算：</p><p>　　上面介紹了F/V變換器，下面介紹函數(shù)波形發(fā)生器，比較器電路，反相器和反相加法器。</p><p>　　函數(shù)波形發(fā)生器(RC正

14、弦波振蕩電路）</p><p>　　要為RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)匹配一個(gè)電壓放大倍數(shù)等于3（即輸出電壓與輸入電壓同相，且放大倍數(shù)的數(shù)值為3）的放大電路就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路?？紤]到起震條件，所選放大電路的電壓放大倍數(shù)應(yīng)略大于3。</p><p><b>　　由公式， ，，</b></p><p>　　得：R1=1K?,R2=1.8K?,C1=C2

15、=20nF</p><p>　　R3、R4選取20kw的電位器，來(lái)實(shí)現(xiàn)微調(diào)電路，加穩(wěn)壓管可以限制輸出電壓的峰—峰值。</p><p>　　函數(shù)波形發(fā)生器電路圖如下：</p><p>　　反相器(反相比列運(yùn)算電路）</p><p>　　因?yàn)槎际侵苯玉詈希瑸闇p小失調(diào)電壓對(duì)輸出電壓的影響，所以運(yùn)算放大器采用低失調(diào)運(yùn)放OP07。</p>

16、<p>　　由于LM331的負(fù)載電阻RL=100kΩ（見(jiàn)圖5-1-2），所以反相器的輸入電阻應(yīng)為100 kΩ，因而取RL=100。</p><p>　　反相器的Au=-1，所以 R4=RL=100 kΩ</p><p>　　平衡電阻R5=RL//R4=50 kΩ 取 R5=51 kΩ。</p><p>　　反相器的電路如圖5-1-6所示：</p

17、><p>　?。?）反相加法器（反相求和運(yùn)算電路）</p><p>　　用反相加法器是因?yàn)樗阌谡{(diào)整—--可以獨(dú)立調(diào)節(jié)兩個(gè)信號(hào)源的輸出電壓而不會(huì)相互影響，電路如圖5-1-7所示。</p><p>　　已知Vo3= -Vo2= -fi×10-3V</p><p>　　∵

18、 （1）</p><p><b>　　技術(shù)要求</b></p><p>　　fi=400Hz時(shí)，Vo=2V</p><p>　　fi=4000Hz時(shí)，Vo=10V</p><p>　　即 （2）</p><p&g

19、t;　　對(duì)照⑴式和⑵式，可見(jiàn)應(yīng)有 </p><p>　　若取R10=R9=20 kΩ，則</p><p>　　∴R6=9kΩ，用兩個(gè)18 kΩ電阻并聯(lián)獲得。</p><p>　　平衡電阻R11≈R10/R6//R9=4.7 kΩ。</p><p>　　(4)參考電壓VR可用電阻網(wǎng)絡(luò)從-12V電源電壓分壓獲取，如圖5-1-8所示。<

20、/p><p>　　若取 R7=1kΩ，則R8//R7=0.952 kΩ</p><p>　　Rw2+R2=9.3296 kΩ</p><p>　　取 R2= 6 kΩ</p><p>　　Rw2用5 kΩ電位器。</p><p>　　圖5-1-4中的C5、C6、C7、C9均為濾波電容，以防止自激和輸出直流電壓上產(chǎn)生毛刺，

21、電容值均為10μF/16V。</p><p>　　比較器（一般單限電壓比較器） </p><p><b>　　仿真過(guò)程</b></p><p>　　由于multisim10.0軟件中不存在LM331我只能將其省略，分成如下兩</p><p>　　個(gè)模塊正弦波轉(zhuǎn)換為方波模塊：</p><p>　　直

22、流正電壓經(jīng)反向器、反向加法器得到符合技術(shù)要求的Vo 模塊 ：7、測(cè)量和調(diào)整</p><p>　　由于multisim10.0.1的軟件中不存在LM331導(dǎo)致我們無(wú)法仿真，且實(shí)物未連接成功，我們組無(wú)法測(cè)得實(shí)際的波形和真時(shí)的電流電壓值。但經(jīng)計(jì)算理論值如下：</p><p>　　預(yù)測(cè)可在400Hz~4kHz內(nèi)的任一頻率上觀察到，</p><p>　　圖5-1-4中有關(guān)點(diǎn)

23、的波形：</p><p>　　Vi1應(yīng)為直流電平≈0，幅度≈0.22VCC的正弦波。</p><p>　　Vo1應(yīng)為單極性的正方波，幅度≈VCC。</p><p>　　Vi2應(yīng)為直流電平≈VCC的正負(fù)脈沖。</p><p>　　Vo2應(yīng)為正直流電壓，Vo3應(yīng)為負(fù)直流電壓，VO應(yīng)為正直流電壓。</p><p>　　圖5-

24、1-4中有關(guān)點(diǎn)的直流電壓：</p><p>　　調(diào)節(jié)圖5-1-4中的電位器，將函數(shù)波形發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率fi調(diào)到400Hz。此時(shí)：</p><p>　　Vo2=0.4V，否則調(diào)整Rw1（（整機(jī)電路中的標(biāo)號(hào)）。</p><p>　　Vo3= -0.4V，否則調(diào)整R4。</p><p>　　VR= -10/9V，否則調(diào)整Rw2。</p&g

25、t;<p>　　Vo=2V，否則分別檢查VR、Vo3產(chǎn)生的輸入。</p><p>　　固定電阻的調(diào)整可用一個(gè)接近要求值的電阻和一個(gè)小阻值的電阻串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　表5-1-2 有關(guān)點(diǎn)直流電壓V 與fi的關(guān)系</p><p><b>　　8、主要元器件</b></p><p><b>

26、;　　LM331：</b></p><p>　　LM331 器件管腳圖</p><p><b>　　LM324:</b></p><p>　　封裝：SOP 制造商：IPC-2221A/2222</p><p><b>　　OP07CP： </b></p><

27、p>　　封裝：PDIP-8 制造商：IPC-2221A/2222</p><p><b>　　UA741:</b></p><p>　　封裝：DIP8 制造商：IPC-2221A/2222</p><p><b>　　9、設(shè)計(jì)總結(jié)與思考</b></p><p>　　如果LM3

28、31輸出偏大，LM331的2腳對(duì)地有一個(gè)12K電阻和一個(gè)5K電位器串聯(lián)對(duì)地，調(diào)節(jié)電位器即可調(diào)輸出頻率，也就是圖5-1-4中的Rs。</p><p><b>　　四、 結(jié)論與心得</b></p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨(dú)立思考解決問(wèn)題，出現(xiàn)差錯(cuò)的隨機(jī)應(yīng)變，和與人合作共同提高，都受益匪淺。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重

29、要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，但我們能積極的應(yīng)對(duì)并解決。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。由于對(duì)在正弦波與方波之間的轉(zhuǎn)換的內(nèi)容不是很清楚，這就導(dǎo)致了我無(wú)法順利的連接電路，通過(guò)