《频率电压变换器》doc版

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1、5.2频率/电压变换器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、设计要求1.技术要求（1）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）正弦波信号源采用函数波形发生器（参见5.1节）。（3）采用±12V电源供电。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

2、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

3、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=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C

4、t、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1.90V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，则应选用高精度、高稳定性的元件。对于某一fi，

5、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5-2-1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

6、-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

7、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，=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=。

8、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5-2-8