利用LM331進(jìn)行頻率電壓轉(zhuǎn)換

1、頻率/電壓變換器實(shí)驗(yàn)報告設(shè)計一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ぜ深l率電壓變換器LM331的主要性能和一種應(yīng)用；熟練掌握運(yùn)算放大器基本電路的原理，并掌握它們的設(shè)計、測量和調(diào)整方法。二、技術(shù)要求當(dāng)方波信號的頻率fi在200Hz2kHz范圍內(nèi)變化時,對應(yīng)輸出的直流電壓Vi在15V范圍內(nèi)線形變化;方波信號源采用函數(shù)波形發(fā)生器的輸出(見課題二圖5-2-3);采用12V電源供電.三、設(shè)計報告要求1.列出已知條件，技術(shù)指標(biāo)。2.分析電路原理。3.寫出設(shè)計步驟：（1）電路形式選擇。（2）電路設(shè)計，對所選電路中的各元件值進(jìn)行計算式估算，并標(biāo)于圖中。4.測試與調(diào)整：（1）按技術(shù)要求測試數(shù)據(jù)，對不滿足技術(shù)指標(biāo)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并整理

2、列出表格，在方格紙上繪出波形。（2）故障分析幾說明。5.誤差分析。四、實(shí)驗(yàn)儀器及主要器件1.儀器 雙蹤示波器 1臺 直流穩(wěn)壓電源 1臺毫伏表 1臺 萬用表 1臺 低頻信號發(fā)生器 1臺2.元器件 A741 1只 LM331 1只 LM324 1只 電位器、電阻、電容 若干五、設(shè)計過程1方案選擇可供選擇的方案有兩種,它們是: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頻率成正比.直接應(yīng)用F/V變換器LM331,其輸出與輸入的脈沖信號重復(fù)頻率成正比.因?yàn)樯鲜龅诜N方案的性能價格比較高,故本課題用LM331實(shí)現(xiàn).LM331的簡要工作原理LM331的管腳排列和主要性能見附錄LM331既可用作電壓頻

3、率轉(zhuǎn)換（VFC）可用作頻率電壓轉(zhuǎn)換（FVC）LM331用作FVC時的原理框如圖5-1-1所示.此時,腳是輸出端(恒流源輸出),腳為輸入端(輸入脈沖鏈),腳接比較電平.工作過程(結(jié)合看圖5-1-2所示的波形)如下: 當(dāng)輸入負(fù)脈沖到達(dá)時,由于腳電平低于腳電平,所以S=1(高電平)，=0（低電平）。此時放電管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，電流開關(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L充電）。經(jīng)過1.1RtCt的時間，VCt增大到2/3VCC時，則R有效（R=1，S=0）， =1，此時，Ct、CL放電。以后就重復(fù)上面的過程，

4、于是在RL上就得到一個直流電壓Vo（這與電源的整流濾波原理類似），并且Vo與輸入脈沖的重復(fù)頻率fi成正比。CL的平均充電電流為i（1.1RtCt）fiCL的平均放電電流為Vo/RL當(dāng)CL充放電平均電流平衡時，得Vo=I（1.1RtCt）fiRL式中I是恒流電流，I=1.90V/RS式中1.90V是LM331內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓（即2腳上的電壓）。于是得可見，當(dāng)RS、Rt、Ct、RL一定時，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。對于一定的fi，要使Vo為一定植，可調(diào)節(jié)RS的大小。恒流源電流I允許在10A500A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故RS可在190k3

5、.8 k范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。一般RS在10k左右取用。2LM331用作FVC的典型電路LM331用作FVC的電路如圖5-1-3所示。 在此，VCC=12V所以 Rx=50k取 Rx=51 k取 RS=14.2 k則 Vo=fi10 3V由此得Vo與fi在幾個特殊 頻率上的對應(yīng)關(guān)系如表5-1-1所示。 表5-1-1 Vo和Fi的 關(guān)系 Fi(Hz)200400600800100012001400160018002000Vo(V)0.8821.3701.7952.2462.6693.1303.5914.0204.4114.836圖5-1-3中fi是經(jīng)過微分電路500pF和10 k加到腳上的。腳上要求的觸發(fā)

6、電壓是脈沖，所以圖5-1-3中的fi應(yīng)是方波。整機(jī)方框圖和整機(jī)電路圖整機(jī)方框圖如圖5-1-4所示。 函數(shù)波形發(fā)生器輸出方波，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)電壓，再與參考電壓VR通過反相加法器得到符合技術(shù)要求的Vo。整機(jī)電路如5-1-5所示。 反相器和反相加法器的設(shè)計計算函數(shù)波形發(fā)生器，比較器電路的設(shè)計計算分別見課題二 和有關(guān)實(shí)驗(yàn)。以上介紹了F/V變換器，下面介紹反相器和反相加法器。反相器反相器的電路如圖5-1-6所示。 因?yàn)槎际侵苯玉詈希瑸闇p小失調(diào)電壓對輸出電壓的影響，所以運(yùn)算放大器采用低失調(diào)運(yùn)放OP07。由于LM331的負(fù)載電阻RL=100k（見圖5-1-3），所

7、以反相器的輸入電阻應(yīng)為100 k，因而取RL=100。反相器的Au=-1，所以R4=RL=100 k平衡電阻R5=RL/R4=50 k 取 R5=51 k。反相加法器用反相加法器是因?yàn)樗阌谡{(diào)整-可以獨(dú)立調(diào)節(jié)兩個信號源的輸出電壓而不會相互影響，電路如圖5-1-7所示。 已知Vo3= -Vo2= -fi10-3V技術(shù)要求fi=200Hz時，Vo=1Vfi=2000Hz時，Vo=5V即（2）對照式和式，可見應(yīng)有 若取R10=R9=20 k，則VR= -VR6=9k，用兩個18 k電阻并聯(lián)獲得。平衡電阻R11R11/R6/R9=4.7 k。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-

8、1-8所示。 若取 R8=1k，則R8/R9=0.952 kRw2+R7=19.6 k取 R7= 15 kRw2用10 k電位器。圖5-1-5中的C2、C3、C4、C5均為濾波電容，以防止自激和輸出直流電壓上產(chǎn)生毛刺，電容值均為10F/16V。反相加法器另一種設(shè)計方法如圖5-1-9所示。 設(shè)fi=200Hz時為Vo3，要求Vo1=1V，則fi=2000Hz時為10Vo3要求Vo=5V1（1）5（2）（1）-（2）：（3）（1）10-（2）：（4）由，若取VR= -1V，則，取定一個電阻就可確定另一個。即 若取，則R10=R9，取定R10、R9。知道R10，則由根據(jù)Vo3大小，可確定R6。設(shè)Vi

9、3= -0.2V，則，從而得。六、測量和調(diào)整觀察圖5-1-5中有關(guān)點(diǎn)的波形?？稍?00Hz2kHz內(nèi)的任一頻率上觀察。Vi1應(yīng)為直流電平0，幅度0.22VCC的正弦波。/2Vo1應(yīng)為單極性的正方波，幅度VCC。Vi2應(yīng)為直流電平VCC的正負(fù)脈沖。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。測量圖5-1-5中有關(guān)點(diǎn)的直流電壓首先要保證頻率計，電壓表完好，即保證測得的頻率、電壓數(shù)值正確。將函數(shù)波形發(fā)生器的輸出信號頻率fi調(diào)到200Hz。此時Vo2=0.2V。否則調(diào)整Rw1。Vo3= -0.2V。否則調(diào)整R4。VR應(yīng)= -5/9V。否則調(diào)整Rw2。Vo應(yīng)=1V。否則分別檢查VR、

10、Vo3產(chǎn)生的輸入。VR產(chǎn)生的輸出應(yīng)為-VR。否則調(diào)整R9。Vo3產(chǎn)生的輸出應(yīng)為-4/9V，否則調(diào)整R6。固定電阻的調(diào)整可用一個接近要求值的電阻和一個小阻值的電阻串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)5-1-2中的頻率點(diǎn)，測出對應(yīng)的Vo，應(yīng)基本符合表5-1-2中的值。 表5-1-2 Vo和Fi的 關(guān)系 Fi(Hz)200400600800100012001400160018002000實(shí)際Vo(V)0.881.371.802.252.673.133.594.024.414.83理論Vo(V)1.001.441.882.322763203.644.084.525.00七、實(shí)驗(yàn)報告內(nèi)容畫出觀察到的有關(guān)點(diǎn)的信號波形；根據(jù)表

11、5-1-2中給定的頻率點(diǎn)自行列表，填入個頻率點(diǎn)上直流電壓的理論值和實(shí)際測量值。對測量值與計算值誤差較大的項(xiàng)進(jìn)行分析。出現(xiàn)過的故障現(xiàn)象、原因分析及解決方法。八、誤差分析：由于不能得準(zhǔn)確的電阻，導(dǎo)致測量值與實(shí)際值不是很一致，元器件自身誤差與外部環(huán)境的影響也造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果有誤差。濾波電路不能使波形完全平滑，導(dǎo)致示數(shù)不準(zhǔn)確。九、注意事項(xiàng)：插面包板時注意正負(fù)極，元器件和導(dǎo)線的并聯(lián)與串聯(lián)，地線從電壓源引出正確接入電路。十心得體會通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)低頻電子線路方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面

12、的知識欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師的指導(dǎo)下，終于迎刃而解。在今后社會的發(fā)展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事。課程設(shè)計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思。同時，設(shè)計讓我感觸很深。使我對抽象的理論有了具體的認(rèn)識。通過這次課程設(shè)計，我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用儀器、儀表；了解了電路的連線方法；以及如何提高電路的性能等等。此課程設(shè)計，我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在實(shí)驗(yàn)室里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識