UF变换电路设计与仿真(吉首大学)

设计课题：U/F变换电路设计与仿真学生：张衡伏

学院：物理科学与信息工程学院专业：电子信息科学与技术年级：08班级：电科二班学号：2008103013

级*第1页共20页

U/F变换电路设计与仿真

物理信息学院08级电科二班张衡伏

摘要：设计电压/频率变换电路，可以利用集成芯片

①

2008103013

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。331关键词：LMLM3

U/F

一、课题背景

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/频率变换电路简称U/F变换电路或者U/F变换器（UFC）。因为U/F变换器不需要同步时钟，所以在微机连接时电路简单。模拟电压变换成频率转换以后，其抗干扰能力增强了，因此尤其适用于遥控系统、干扰较大的场合和远距离传输等方面。

本文的目的是设计一个电压/频率变换电路，将1V--10V输入的电压信号变换成10Hz—10kHz输出的频率信号，本设计采用集成的LM331系列的芯片组成U/F变换模式电路，通过开关将输出分成三个档位。另外采用集成运放LM308（也可选取CA3140、LF351B、LF356、uA741等）组成反向积分器以提高转换精度。

二、器件简介与分析

LMx31系列芯片是集成的U/F,F/U变换器，包括LM131A／LM131、LM231A／LM231、LM331A／LM331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，能满足100kHz的U／F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，另外其输出可驱动3个TTL负载。这类器件常常应用于A／D转换、精密F／U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。

①

作者简介：张衡伏（19--），男，学生，就读于吉首大学，从事电子信息科学与技术的学习。

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（1）器件性能特点如下：

①最大线性度：0．01％。

②双电源或单电源工作（单电源可以在5V以下工作）。③脉冲输出与所有逻辑形式兼容。

④最佳温度稳定性：最大值为±50×10-6/ºC。⑤小功耗：5V以下典型值为15mW。

⑥宽的动态范围：10kHz满量程频率下最小值为100dB。⑦满量程频率范围：1Hz～100kHz（2）器件内部结构与基本接法

（1）上图（2）下图

LM131/231/331内部结构和基本接法

LM131/231/331内部结构和基本接法的简化图

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在图(1)和图(2)中，每当单稳态定时器触发产生一宽度为t0的等宽度脉冲时，S接通，电容cL充电。t0结束后，S断开，cL经RL放电，到放电电压等于Ui时，再次触发单稳态触发器，这样反复循环，构成了自激振荡器。在图中，IR是恒定的，cL的充电电流是随着

Ui的增加而减小。若在某一段时间内，计算其充电电荷平均值Q:

UxQ=(I−)tf则有R

RL00

Ux′Q=(T−t0)f0其放电电荷平均值为RL

U因充电和放电是平衡的，所以由Q′=Q得IRt0f0=xRL

在实际应用时，Ux大约在10mV的范围内波动，其平均值Ux≈Ui，用Ui代替上式中的Ux得

f0=

UiRLIRt0

式中，t0=1.1RtCt,Rt、Ct为单稳态定时器的外接电阻和电容。

典型工作状态为Rt=6.8kΩ,Ct=0.01µF,t0=7.5µs。

1.90

IR由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接电阻RS决定，IR=

RS

通常调节RS的值，可调节转换增益。

+15V

(3)U/F变换模式电阻RS由

C1Ui0~10V876LMx315324RS1=12kΩ

和RS2=5kΩ的电位器组成，

R1100k0.1μRt6.8kCt0.01μfo10k10Hz~10kHz+15V作用是调节增益偏差和由RL、Rt、CL1μRL20k1Rs112k+5V20k~1M22k−5V47kRs25kRsCt引起的偏差，

以及校正输出频率。(3)上图LMx31组成的U/F转换基本电路

上图（3）中:LMx31系列芯片7脚上增加的R1、C1，其作用是提高精度。当元件取图示中的参数值时，可将0～10V输入电压信号变成10Hz～10kHz的输出频率信号。

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三、硬件设计与仿真

（一）设计电路连接图（如下）

为了观察和记录实验数据本实验用到了频率计数器（观察频率）和函数接收器（接收信号）。另外实验还用到了电压表计数器和电流表计数器随时观察电路中各支路电压电流的变化。优化后的实验电路连接图如下:

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(二)实验数据记录与分析（包括截图）

①当Ui=1V（输入电压），Rv（可调变阻器）调到36%时（即Rv=360KΩ）；Rs2调到0%（即将接触头放到最下面，让Rs2短路即可），观察电路图的变化。

可以观察到频率计的数值为10Hz（如上图所示，注：第一个频率计是用来计数的，第二个频率计是计录时间用的，第三个是函数接收器接，此时输出波形周期为T=94.50ms，则f=1/T=10.58Hz，与实验观察到的10Hz是符合的）

②

当Ui=1V（输入电压），

Rv（可调变阻器）调到的0%时（即Rv=0Ω）；Rs2调到61%（即Rs2=610Ω），

观察电路图的变化。

可以观察到频率计的数值为10Hz（如上图所示，注：第一个频率计是用来计数的，第二个频率计是计录时间用的，第三个是函数接收器接，由右图可知其输出波形周期T=94.50ms，则f=1/T=10.58Hz，与实验观察到的10Hz是符合的）

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对比观察：（以上①②实验用到的数据前提条件是：Rv=1M，Rs1=100Ω,Rs2=100KΩ）

（以下③④实验用到的数据前提条件是：Rv=1M，Rs1=12KΩ,Rs2=5KΩ）③当Ui=1V（输入电压），Rv（可调变阻器）调到58%时（即Rv=580KΩ）；Rs2调到0%（即将接触头放到最底端，让Rs2短路），观察电路图的变化。

可以观察到其输出频率为f=73Hz。在Rs2最小值的情况下（Rs2为微调可变电阻，可以微调改变输出频率，向上调频率增加，向下调频率减少），此时不能再调节可变电阻Rv（Rv可调电阻往上调，则输出波形图消失，频率计数值为0；Rv可调电阻往下调，其波形图周期变短，频率计数值增加）

在输入电压Ui为1V时，此时的73Hz已是最小值了。

④当Ui=1V（输入电压），Rv（可调变阻器）调到11%时（即Rv=580KΩ）；Rs2调到13%（即将接触头放到最底端，让Rs2短路），观察电路图的变化。可以观察到其其输出频率为f=10015Hz，此时不适合再调节可变电阻（Rv可调电阻往上调，则频率计数值大于10KHz；Rv可调电阻往下调，则频率计数值小于10KHz）

此时的输出频率最接近10KHz。

实验结论：

当Ui=1V，Rv=58%（Rv=580KΩ）；Rs2=0%（Rs2=0Ω），其输出频率为f=73Hz。当Ui=1V，Rv=11%（Rv=110KΩ）；Rs2=13%（Rs2=650Ω），输出频率f=10015Hz。

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⑤当Ui=5V（输入电压），Rv（可调变阻器）调到86%时（即Rv=580KΩ）；Rs2调到0%（即将接触头放到最底端，让Rs2短路），观察电路图的变化。

可以观察到其输出频率为f=94Hz（如上图所示）

此数值也是最接近10Hz的了，再调电阻（向上调频率计数值变为0，往下调频率计的值增大，由右图计T=10.68ms,算得f=93.63Hz,与频率计的读数相符合）

⑥当Ui=5V（输入电压），Rv（可调变阻器）调到87%时（即Rv=870KΩ）；Rs2调到15%（即Rs2=15KΩ），观察电路图的变化。

可以观察到其输出频率为f=91Hz(如上图所示)。

此数值也是最接近10KHz的了，再调节可变电阻的大小都没有这个数接近10KHz的了。由右图计T=101.49ms,算得f=9853.19Hz,与频率计的读数相符合）

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对比观察：（以上⑤⑥实验用到的数据前提条件是：Rv=1M，Rs1=100Ω,Rs2=100KΩ）

（以下⑦⑧实验用到的数据前提条件是：Rv=1M，Rs1=12KΩ,Rs2=5KΩ）⑦当Ui=5V（输入电压），Rv调到93%时（即Rv=930KΩ）；Rs2调到0%（即将接触头放到最底端，让Rs2短路），观察电路图的变化。

可以观察到其输出频率为f=1237Hz在Rs2最小值的情况下（Rs2为微调可变电阻，可以微调改变输出频率，向上调频率增加，向下调频率减少），此时不能再调节可变电阻Rv（Rv可调电阻往上调，则输出波形图消失，频率计数值为0；Rv可调电阻往下调，其波形图周期变短，频率计数值增加）

在输入电压Ui为5V时，此时的1237Hz已是最小值了。

⑧当Ui=5V（输入电压），Rv（可调变阻器）调到%时（即Rv=0KΩ）；Rs2调到84%（即Rs2=4.4KΩ），观察电路图的变化。

可以观察到其输出频率为f=10008Hz.

此时不适合再调节可变电阻（Rv可调电阻往上调，则频率计数值大于10KHz；Rv可调电阻往下调，则频率计数值小于10KHz）此时的输出频率最接近10KHz。

实验结论：

当Ui=1V，Rv=93%（Rv=930KΩ）；Rs2=0%（Rs2=0Ω），其输出频率为f=1237Hz。当Ui=1V，Rv=%（Rv=0KΩ）；Rs2=84%（Rs2=4.4KΩ），输出频率f=10008Hz。

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⑨当Ui=10V（输入电压），Rv（可调变阻器）调到99%时（即Rv=990KΩ）；Rs2调到0%（即将接触头放到最底端，让Rs2短路），观察电路图的变化。

可以观察到其输出频率为f=65Hz（如上图所示）

此数值也是最接近10Hz的了，再调电阻（向上调频率计数值变为0，往下调频率计的值增大，由右图计T=15.30ms,算得f=65.79Hz,与频率计的读数相符合）

⑩当Ui=10V（输入电压），Rv（可调变阻器）调到7%时（即Rv=760KΩ）；Rs2调到3%（即Rs2=3KΩ），观察电路图的变化。

可以观察到其输出频率为f=10009Hz（如上图所示）

此数值也是最接近10KHz的了，再调电阻（向上调频率计数值变为0，往下调频率计的值增大，由右图计T=99.18ms,算得f=10082.68Hz,与频率计的读数相符合）

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对比观察：（以上⑨⑩实验用到的数据前提条件是：Rv=1M，Rs1=100Ω,Rs2=100KΩ）

（以下⑾⑿实验用到的数据前提条件是：Rv=1M，Rs1=12KΩ,Rs2=5KΩ）⑾当Ui=10V（输入电压），Rv调到99%时（即Rv=990KΩ）；Rs2调到0%（即将接触头放到最底端，让Rs2短路），观察电路图的变化。

可以观察到其输出频率为f=5185Hz在Rs2最小值的情况下（Rs2为微调可变电阻，可以微调改变输出频率，向上调频率增加，向下调频率减少），此时不能再调节可变电阻Rv（Rv可调电阻往上调，则输出波形图消失，频率计数值为0；Rv可调电阻往下调，其波形图周期变短，频率计数值增加）

在输入电压Ui为10V时，此时的5185Hz已是最小值了。

⑿当Ui=1V（输入电压），Rv（可调变阻器）调到98%时（即Rv=980KΩ）；Rs2调到0%（即将接触头放到最底端，让Rs2短路），观察电路图的变化。可以观察到其其输出频率为f=10203Hz，此时不适合再调节可变电阻（Rv可调电阻往上调，则频率计数值大于10KHz；Rv可调电阻往下调，则频率计数值小于10KHz）

此时的输出频率最接近10KHz。

实验结论：

当Ui=10V，Rv=99%（Rv=990KΩ）；Rs2=0%（Rs2=0Ω），其输出频率为f=5185Hz。当Ui=10V，Rv=98%（Rv=980KΩ）；Rs2=0%（Rs2=40KΩ），输出频率f=10203Hz。

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四、实验总结与心得体会

本次实验设计，不仅仅的是单纯的课程设计，更让我对深刻的认识到了课本知识的重要性，也让我更加了解了课本的知识，特别是LM331系列芯片。如果纯粹地追求科本，死记硬背，不灵活将知识搬到实际生活中，那么这样的学习是毫无价值和意义的。理论上的东西似乎都能很好的理解，一旦真正的应用于实践中，就会产生很多意想不到的问题。

s本次实验利用单片机模拟仿真软件Proteus进行U/F变换器的设计与仿真。ProteuProteus

软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件，凡是能够模拟仿真的电路在Proteus中几乎都能实。LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集成芯片。其系列芯片是集成的U/F,F/U变换器，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系列芯线性度较好，不需要运放便可以实现电压频率转换，而且变换精度高。本设计实验就是利用LM331系列芯的这些优点来实现电压/频率的变换。

通过本次实验，不仅仅让我有效地将课本所学的知识应用于实践，达到了学以致用的目的，而且在设计的过程中，使自己在学习新知识﹑发现问题﹑解决问题等方面得到了很好的锻炼，为以后的学习和工作打下了良好的基础。

总而言之，虽然本次实验设计耗费了我大量的课余时间，但是确实给我带来了不少收获，觉得这样的课程设计是挺有意义的。

附参考文献：

集成应用原理与应用（第二版）谭博学苗汇静主编电子工业出版版2010.11331数据手册美国NS公司出版LMLM331

Proteus使用教程英国Labcenterelectronics公司出版附：实验设计部分汉译英：

U/Ftransformcircuitdesignandsimulation

Fu2,008,103,013）（Schoolofphysicsinformation08electricDivisionsecondclassZhangHengHengFu

Summary:voltage/frequencytransformcircuitdesign,canbeachievedwithanintegrated

chipLMx31.Theexternalvoltageenteredthroughalowpassfilterchips,intheappropriatePINaccesschargeanddischargecircuit,theoutputpinstooutputtheappropriatefrequency.LMx31goodlinearity,doesnotrequireoperationalamplifiershavevoltagefrequencyconversion,andtransformshighaccuracy.Takeadvantageofprofessionaldesignandsimulationsoftware(suchasProteus),U/Ftransformcircuitdesignandsimulation.

Keywords:

331LMLM3U/F

First﹑Introduction

Withtherapiddevelopmentofelectronicsandcomputertechnology,integratedvoltagefrequencyconversioncircuitandelectronictechnology,automaticcontrol,digitalinstruments,communicationequipment,frequencymodulation,phase-lockandmodulustransformiswidelyappliedinmanyfields.

Voltage/frequencyconvertingcircuitreferredtoasU/ForU/Fconverterstransformcircuit(UFC).BecausetheU/Fconverterdoesnotneedtosynchronizeclocks,sowhenthe

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computerconnectedsimplecircuit.Afteranalogvoltageintofrequencyconversion,enhanceditsanti-jammingability,thereforeparticularlysuitableforremotecontrolsystem,interferencelargeroccasionsandlong-distancetransmission,andsoon.

Thepurposeofthisarticleistodesignavoltage/frequencyconvertingcircuit,1V--10Vinputvoltagesignalinto10Hz-10kHzthefrequencyoftheoutputsignal,consistingofchipdesignwithintegratedLM331seriesU/Ftransformationmodecircuits,byswitchingtheoutputintothethreestalls.WithanintegratedamplifierLM308(youcanalsoselectCA3140,LF351B,LF356,uA741,etc),reverseintegrationtoimproveconversionaccuracy.

Second﹑deviceprofilesandanalysis

U/F,F/UconverterLMx31serieschipisanintegrated,includingLM131A/LM131,LM231A/LM231,LM331A/LM331,etc.Suchhighintegrationofchipprices.LM131/231/331internalhasnewoftemperaturecompensationcangapbenchmarkcircuit,inentireworktemperaturerangewithinandpowervoltagelowto4.0VShi,alsohasveryhighofprecision,canmeet100kHzofU/Fconversionbyneedofhighspeedresponse,itsinternalprecisionscheduledcircuithaslowofpartialresetcurrent,highpressureoutputcanup40V,canpreventendofshortcircuit,alsoitsoutputcandriven3aTTLload.Suchdevicesareoftenapplied

A/D,precisionF/Uconversion,longtimeintegration,digital,linearfrequencymodulationanddemodulationsystems,computerapplications,andsoon.

(1)theperformancecharacteristicsareasfollows:

①maximumlineardensity:0.1%.

②dualpowersupply,orasinglepowersupply(5Vsinglepowersupplycanwork).③pulseoutputiscompatiblewithalllogicalform.

④besttemperaturestability:±50x10-6/ºcmaximumvalue.⑤lowpowerconsumption:5Vtypical15mW.

⑥widedynamicrange:minimumof100dB10kHzfull-rangefrequencies.⑦fullscalefrequencyrange:1Hz~100kHz

(2)internalstructureandthebasiclaw

(1)figureLM131/231/331oninternalstructuresandthebasiclaw

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(2)figureofLM131/231/331internalstructureandthebasiclawundersimplifieddiagram

Inthediagram(1)and(2),everytimetriggeredMONOSTABLEtimerwhenawidthtothewidthofthepulse,sconnected,capacitorcharge.Aftertheendofsdisconnected,afterdischarge,whenitcomestodischargevoltageisequalto,againtriggeredMONOSTABLEtriggersuchrepetition,formingtheself-excitedoscillator.Inthediagram,isconstant,thechargingcurrentisasincreasesanddecreases.Ifwithinacertainperiodoftime,whoseaveragechargechargeiscalculated:

Then:

Q=(IR−

Ux)tfRL00

Q′=

Ux(T−t0)f0RL

Q′=Qget

IRt0f0=

UxRL

Ux≈Ui，

Itsaveragedischarge-charge:

Forcharginganddischargingisbalanced,so

Atthetimeofapplication,aboutinthecontextof10mVfluctuations,theaverage

UsedUiinsteadofUxget

f0=

UiRLIRt0

Intype,t0=1.1RtCt,Rt、Ctis

externalresistorsandcapacitorsforMONOSTABLEtimer.TypicalworkstatusisRt=6.8kΩ,Ct=0.01µF,t0=7.5µs。

Bytheinternalvoltagereferencesupply1.90Vvoltagereferenceandthe

externalresistanceofadecision,conversiongain.

(3)theU/FtransformmodeResistance

1.90IR=

RS

UsuallyadjustRS,adjustable

RSbyRS1=12kΩand=RS2=5kΩcomposition

potentiometers,Roleistoadjust

gainDeviationand,Causedby

RL、Rt、Ctdeviations,Correctionandoutputfrequency.

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+15V

C1Ui0~10VR1100k876LMx3153240.1μRt6.8kCt0.01μfo10k10Hz~10kHz+15VCL1μRL20k1Rs112k+5V20k~1M22k−5V47kRs25kRs(3)U/FLMx31onconvertingbasiccircuit

Figure(3):LMx31serieschipsonthe7-footincreasein

R1、C1，Itsroleistoimprovethe

accuracy.Whenacomponentparametervalueinthepreparationofdiagrams,0～10Vinputvoltagesignalcanbeoutputfrequencysignalinto10Hz～10kHz.

Third,thehardwaredesignandsimulation

Omit

Four,experimentalsummaryandexperience

Theexperimentaldesign,notonlyisasimplecoursedesign,moreprofoundunderstandingoftheimportanceofthetextbookknowledge,soIbetterunderstandthetextbookknowledge,inparticulartheLM331serieschips.Ifpurelyinpursuitofthis,memorization,inflexiblemovedtoreallifeknowledge,thensuchlearningisofnovalueandsignificance.Thingsseemtobewithagoodunderstandingofthetheory,whenreallyappliedinpractice,wouldproducemanyunexpectedproblems.

ThisexperimentusingsinglechipcomputersimulationdesignandsimulationsoftwareofProteusU/Fconverter.ProteusSoftwareisUnitedKingdomLabcenterelectronicscompanypublishingEDAtoolssoftware,simulationofthecircuitintheProteuscanalmostreal.LM331areUnitedStatesNSofthecompany'shighproductioncostperformancecomparisonofintegratedchip.ItsU/F,F/Userieschipsareintegratedconverter,externalvoltageenteredthroughalowpassfilterchips,intheappropriatePINaccesschargeanddischargecircuit,theoutputpinstooutputtheappropriatefrequency.LM331seriescoresbetterlinearity,doesnotrequireoperationalamplifiershavevoltagefrequencyconversion,andtransformshighaccuracy.LM331seriescoreofthisdesignexperimentisusethesebenefitstoachievethetransformationofvoltage/frequency.

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Throughthisexperiment,letmenotonlyeffectivelyapplytextbookknowledgetopractice,achievethepurposeoflearning,butalsointheprocessofdesignandmakehimselfinlearninganynewknowledge,problem,problem-solving,andsoareaverygoodexercise,forfuturestudyandworktolayagoodfoundation.

Allinall,thoughthisexperimentaldesigntookmealotofsparetime,butitcausedmealotofharvest,thiscurriculumdesignisquitemeaningful.

References:

Principleandapplicationofintegratedapplications(SecondEdition)editorinChiefofTamborMiaoHuijingelectronicpublishingEdition2010.11LM331datamanualUnitedStatesNScompanypublishing

ProteususestutorialUnitedKingdomLabcenterelectronicscompanypublishing

另外附LM331芯片数据手册部分数据（如下）

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