利用lm331进行频率电压转换

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1、.ffff5.1频率/电压变换器*一、概述本课题要求熟悉集成频率——电压变换器LM331的主要性能和一种应用；熟练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。二、技术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Vi在1~5V范围内线形变化;正弦波信号源采用函数波形发生器的输出(见课题二图5-2-3);采用±12V电源供电.三、设计过程1．方案选择可供选择的方案有两种,它们是: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.直接应用F/V变换器LM

2、331,其输出与输入的脉冲信号重复频率成正比.因为上述第种方案的性能价格比较高,故本课题用LM331实现.LM331的简要工作原理LM331的管脚排列和主要性能见附录LM331既可用作电压――频率转换（VFC）可用作频率――电压转换（FVC）LM331用作FVC时的原理框如图5-1-1所示.此时,脚是输出端(恒流源输出),脚为输入端(输入脉冲链),脚接比较电平.工作过程(结合看图5-1-2所示的波形)如下: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（低电平）。此时放电管T截止，于是Ct由VC

3、C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、CL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

4、均电流平衡时，得Vo=I×（1.1RtCt）×fi×RL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10A~500A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。2．LM331用作FVC的典型电路LM331用作FVC的

5、电路如图5-1-3所示。在此，VCC=12V所以Rx=50kΩ取Rx=51kΩ取RS=14.2kΩ则Vo=fi×10–3V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。表5-1-1Vo和fi的关系Fi(Hz)200650110015512000Vo(V)0.20.651.11.552.0图5-1-3中fi是经过微分电路470pF和10kΩ加到脚上的。脚上要求的触发电压是脉冲，所以图5-1-3中的fi应是方波。整机方框图和整机电路图整机方框图如图5-1-4所示。函数波形发生器输出的正弦波比较器变换成方波

6、。方波经F/V变换器变换成直流电压。直流正电压经反相器变成负电压，再与参考电压VR通过反相加法器得到符合技术要求的Vo。整机电路如5-1-5所示。反相器和反相加法器的设计计算函数波形发生器，比较器电路的设计计算分别见课题二和有关实验。以上介绍了F/V变换器，下面介绍反相器和反相加法器。反相器反相器的电路如图5-1-6所示。因为都是直接耦合，为减小失调电压对输出电压的影响，所以运算放大器采用低失调运放OP07。由于LM331的负载电阻RL=100kΩ（见图5-1-3），所以反相器的输入电阻应为100kΩ，因而取RL=1

7、00。反相器的Au=-1，所以R4=RL=100kΩ平衡电阻R5=RL//R4=50kΩ取R5=51kΩ。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5-1-7所示。已知Vo3=-Vo2=-fi×10-3V∵技术要求fi=200Hz时，Vo=1Vfi=2000Hz时，Vo=5V即（2）对照⑴式和⑵式，可见应有若取R10=R9=20kΩ，则VR=-V∴R6=9kΩ，用两个18kΩ电阻并联获得。平衡电阻R11≈R11//R6//R9=4.7kΩ。参考电压VR可用电阻

8、网络从-12V电源电压分压获取，如图5-1-8所示。若取R8=1kΩ，则R8//R9=0.952kΩRw2+R7=19.6kΩ取R7=15kΩRw2用10kΩ电位器。图5-1-5中的C2、C3、C4、C5均为滤波电容，以防止自激和输出直流电压上产生毛刺，电容值均为10μF/16V。反相加法器另一种设计方法如图5-1-9所示。设fi=200Hz时