频率电压变换器(吴佳乐严旭东李立)

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1、组号：16A姓名：吴佳乐严旭东李立频率/电压变换器1.要求当正弦波信号的频率fi在200Hz～2kHz范围内变化时，对应输出的直流电压V0在1V～5V范围内线性变化。2.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。因第2种方案的性价比较高，故本题用LM331实现。3.LM331的工作原理LM331的引脚排列和主要性能见附录。LM331即可用作电压/频率转换，也可用作频率/电压转换。LM331的原理框图如图5-2-1所示。此时，①

2、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。图5-2-1LM331原理框图该器件的工作过程（结合图5-2-1所示的波形）如图5-2-2所示。当输入负脉冲未达到时，由于⑥脚电平≈Vcc，高于⑦脚电平，所以S=0（低电平）。当输入负脉冲到达时，由于⑥脚电平低于⑦脚电平，所以S=1（高电平），Q’=0(低电平)。此时放电管T截止，于是Ct有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①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

3、=1，S=0），Q’=1，于是T导通，Ct通过T迅速放电。与此同时，开关使恒流源I接地，从而CL通过RL放电，VCL减小。当下一个输入负脉冲到达时，又使S=1，Q’=0，Ct、CL再次充电。然后，又经过1.1RtCt的时间返回到Ct、CL放电。图5-2-2LM331工作波形以后就重复上面的过程，于是在RL上得到一个直流电压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，平均放电电流为VO/RL,当CL充放电平均电流平衡时，有VO=I×（1.1RtCt）×fi×RL式中I是恒流源电源其中1.9

4、0V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，则应选用高精度、高稳定性的元件。对于某一fi，要使VO为其对应值，可调节RS的大小。恒流源电流I允许在10µA～500µA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。4.LM331用作频率/电压变换的典型电路LM331用作FVC的电路如图5-2-3所示。图中在此，=12V。所以=50kΩ。取=51Kω,则取=14.2kΩ，则×V。由此得与在几个特殊频率上的对应关系如图表5-2

5、-1所示。图5-2-3LM331用作频率电压变换的典型电路表5-2-1Vo和fi的关系fi/Hz200650110015502000Vo/V0.20.651.11.552图5-2-3中是经过微分电路470pF和10kΩ加到⑥脚上的。⑥脚上要求的触发电压时脉冲，所以图5-2-3中的应是脉冲波。5.系统框图频率/电压变换器的框图如图5-2-4所示。图5-2-4系统框图函数波形发生器输出的正弦波经比较器变换成方波。方波经频率变换成直流电压。直流正电压经反相器变成负电压，再与参考电压通过反相加法器得到符合技术要求的。6.反相器和反相加法器的设计函数波形发生器和比较器电路的设计

6、分别见5.1节和有关实验，在此仅讨论反相器和反相加法器的设计。（1）反相器反相器的电路如图5-2-5所示。由于都是直接耦合，为减小失调电压对输出电压的影响，运算放大器采用低失调运放OP07.由于LM331的负载电阻=100kΩ（见图5-2-3），所以反相器的输入电阻为100kΩ，因而取=100kΩ。反相器的=-1，所以。平衡电阻50kΩ,取=51kΩ。（2）反相加法器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5-2-6所示。图5-2-6反相加法器电路图5-2-5反相器电路已知所以(5-2-1)根据技术要求：=200Hz时，

7、=1V；=2000Hz时，=5V，即(5-2-2)对照式（5-2-1）和式（5-2-2），可得若取==20kΩ，则=。而故=9kΩ，用两个18kΩ电阻并联获得。平衡电阻≈∥∥=4.7kΩ。参考电压可用电阻网络从-12V电源分压获取，如图5-2-7所示，其中的就是图5-2-6中的电阻。图5-2-7参考电压VR的获取图5-2-8反相加法器另一种设计电路若取=1kΩ，则=0.952kΩ，有取=15kΩ，用10kΩ电位器。反相加法器的另一种设计方法如图5-2-8所示。设=200Hz时反相器输出为，要求=1V，则=200Hz时反相器输出为10，要求=5V。因故