利用LM331進行頻率電壓轉(zhuǎn)換

1、.ffff5.1 頻率/電壓變換器*一、概述本課題要求熟悉集成頻率電壓變換器LM331的主要性能和一種應(yīng)用；熟練掌握運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)正弦波信號的頻率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;正弦波信號源采用函數(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.因為上述第種方案的性能價格比較高,故本課題

2、用LM331實現(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)輸入負脈沖到達時,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（因為是恒流源對CL充電）。經(jīng)過1.1RtCt的時間，VCt

3、增大到2/3VCC時，則R有效（R=1，S=0）， =0，Ct、CL再次充電。然后，又經(jīng)過1.1RtCt的時間返回到Ct、CL放電。以后就重復(fù)上面的過程，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

4、，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190k3.8 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)200650110015512000Vo(V)0.20.651.11.552.0圖5-1-3中fi是經(jīng)過微

5、分電路470pF和10 k加到腳上的。腳上要求的觸發(fā)電壓是脈沖，所以圖5-1-3中的fi應(yīng)是方波。整機方框圖和整機電路圖整機方框圖如圖5-1-4所示。 函數(shù)波形發(fā)生器輸出的正弦波比較器變換成方波。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)實驗。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。 因為都是直接耦合，為減小失調(diào)電壓對輸出電壓的影響，所以運算放大器采用低失調(diào)運

6、放OP07。由于LM331的負載電阻RL=100k（見圖5-1-3），所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為它便于調(diào)整-可以獨立調(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=

7、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5-1-8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=R

8、9，取定R10、R9。知道R10，則由根據(jù)Vo3大小，可確定R6。設(shè)Vi3= -0.2V，則，從而得。四、測量和調(diào)整觀察圖5-1-5中有關(guān)點的波形。可在200Hz2kHz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。Vo1應(yīng)為單極性的正方波，幅度VCC。Vi2應(yīng)為直流電平VCC的正負脈沖。Vo2應(yīng)為正直流電壓，Vo3應(yīng)為負直流電壓，VO應(yīng)為正直流電壓。測量圖5-1-5中有關(guān)點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、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)來實現(xiàn)。根據(jù)5-1-2中的頻率點，測出對應(yīng)的Vo2、Vo3、VR、Vo，應(yīng)基本符合表5-1-2中的值。表5-1-2 有關(guān)點直流電壓 與fi的關(guān)系fi（Hz）200650110015502000Vo2（V）0.20.651.11.552.0Vo3（V）-0.2-0.65-1.1-1.55-2.0VR（V）-5/9-5/9-