频率电压变换器

频率电压变换器 5.1 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f在200Hz~2kHz范围内变化时,对应输出的直流电压V在1~5V范围ii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(选择 可供选择的方案有两种,它们是: 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F/V变换器LM331,其输出与输入的脉冲信号重复频率成正比. 2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 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. +VCC9/10VCC置“1”端7 Qs-输入s+1比较器-V0fi6+ CLRLVCC Rt2/3VCC 定时+Q比较器R5 C置“0”端t T 图5-1-1 167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: VCC1/fi 3.5vp-p0ts 1 0tvct 2/3VCC 0t1.1RCtt 0tvCL V0 0t 图5-1-2 67 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)。Q 此时放电管T截止，于是C由V经R充电，其上电压V按指数规律增大。与此同时，tCCtCt 1电流开关S使恒流源I与?脚接通，使C充电，V按线性增大(因为是恒流源对C充电)。 LCLL 经过1.1RC的时间，V增大到2/3V时，则R有效(R=1，S=0)， =0，C、C再次QttCtCCtL 充电。然后，又经过1.1RC的时间返回到C、C放电。 tttL 以后就重复上面的过程，于是在R上就得到一个直流电压V(这与电源的整流滤波原理类Lo似)，并且V与输入脉冲的重复频率f成正比。 oi C的平均充电电流为i×(1.1RC)×f Ltti C的平均放电电流为V/R LoL 当C充放电平均电流平衡时，得 L V=I×(1.1RC)×f×R ottiL 式中I是恒流电流，I=1.90V/R S 式中1.90V是LM331内部的基准电压(即2脚上的电压)。 RL于是得 V,2.09RCfottiRS 可见，当R、R、C、R一定时，V正比于f，显然，要使V与f之间的关系保持精确、SttLoioi稳定，则上述元件应选用高精度、高稳定性的。 对于一定的f，要使V为一定植，可调节R的大小。恒流源电流I允许在10A~500A,,ioS 范围内调节，故R可在190kΩ~3.8 kΩ范围内调节。一般R在10kΩ左右取用。 SS2(LM331用作FVC的典型电路 LM331用作FVC的电路如图5-1-3所示。 +VCC 10K10KRt6.8K 8RX 75 0.01LM331fi6 470p lo12 43+1012K100K R{S22K 图5-1-3 V2,CCR ,x0.2mA 在此，V=12V CC 所以 R=50kΩ取 R=51 kΩ xx RL V,2.09RCfottiRS 取 R=14.2 kΩ S–3则 V=f×10 V oi 由此得V与f在几个特殊 频率上的对应关系如表5-1-1所示。 oi 表5-1-1 Vo和fi的 关系 Fi(Hz) 200 650 1100 1551 2000 Vo(V) 0.2 0.65 1.1 1.55 2.0 66图5-1-3中f是经过微分电路470pF和10 kΩ加到?脚上的。?脚上要求的触发电压是脉冲，i 所以图5-1-3中的f应是方波。 i 整机方框图和整机电路图 整机方框图如图5-1-4所示。 直流-0.2~2V方波V=1~5V正弦波0函数波形反相加法比较器F/V变换反相器发生器器fi=200V0.2~2~2000Hz 参考电压VR图5-1-4 函数波形发生器输出的正弦波比较器变换成方波。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V通过反相加法器得到符合技术要求的V。 Ro整机电路如5-1-5所示。 C+210 1.8k1k10k10k6.2kR16.2k 4810k28569C1710k10u3+7+ICL8038LM3117263470p100k10k+A7411111100k1210324-100k410k 10k104223C3+10k10104 +VCC RR52C4+15k10k10Rw26.8kRt10kRX51kR8CtR81k457R0.01R20k1069100kLM331RL20k12743R{-39kR626712k100kOP076-RV+52C0RL(2个18k并联)w1R+OP07S51k10R2k4311+C+54104.7k3-VEE 图5-1-5 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。 1?反相器 反相器的电路如图5-1-6所示。 +VCC R537+ 51k6OP07Vo1Vi1RL-42VCC 100k-VEE R4 100k 图5-1-6 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R=100kΩ(见图5-1-3)，所以反相器的输入电阻应为100 kΩ，因L 而取R=100。 L 反相器的A=-1，所以 u R=R=100 kΩ 4L 平衡电阻R=R//R=50 kΩ 取 R=51 kΩ。 5L45 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5-1-7所示。 +VCC R1137 V6oOP07R6 42Vo3 -VEE RR910VR 图5-1-7 RR1010 V,,V,Voo3RRR69 -3已知V= -V= -f×10V o3o2i RR3,1010? V,f，10,VoiRRR69 技术要求 f=200Hz时，V=1V io f=2000Hz时，V=5V io 250，ff5ii即 (2) V,,(，)Vo4509450 R510对照?式和?式，可见应有 ,V,VRR99 5若取R=R=20 kΩ，则V= -V 109R9 Rf,310i f10，,iR4506 ?R=9kΩ，用两个18 kΩ电阻并联获得。 6 平衡电阻R?R//R//R=4.7 kΩ。 111169 参考电压V可用电阻网络从-12V电源电压分压获取，如图5-1-8所示。 R -12V R10kW2 R715k VR R81kR920k 图5-1-8 R//R589 V,,RRR(R//R)9，，W2789 若取 R=1kΩ，则R//R=0.952 kΩ 889 R+R=19.6 kΩ w27 取 R= 15 kΩ 7 R用10 kΩ电位器。 w2 图5-1-5中的 C、C、C、C均为滤波电容，以防止自激和输出直流电压上产生毛刺，电2345 容值均为10μF/16V。 2?反相加法器另一种设计方法如图5-1-9所示。 +VCC R11 + A741RV6o -Vo3 -VEE RR910 VR 图5-1-9 设f=200Hz时为V，要求V=1V，则f=2000Hz时为10V要求V=5V io3o1io3o RR1010 V,,(V，V)oo3RRR69 RR10101 (1) ,(V，V),o3RRR69 RR10105 (2) ,(V，V),o3RRR69 RR41010(1)-(2): (3) 9V4V,,,,,o3o3RR966 RR51010(1)10-(2): (4) ，9V5V,,,,,RRRR999 R510由?，若取V= -1V，则，取定一个电阻就可确定另一个。 ,RR99 5即 若取，则R=R，取定R、R。 V,,V109109R9 知道R，则由?根据V大小，可确定R。 10o36 R2010设V= -0.2V，则， ,i3R96 9从而得。 R,R61020 四、测量和调整 观察图5-1-5中有关点的波形。 可在200Hz~2kHz内的任一频率上观察。 V应为直流电平?0，幅度?0.22V的正弦波。 i1CCV应为单极性的正方波，幅度?V。 o1CCV应为直流电平?V的正负脉冲。 i2CC V应为正直流电压，V应为负直流电压，V应为正直流电压。 o2o3O测量图5-1-5中有关点的直流电压 首先要保证频率计，电压表完好，即保证测得的频率、电压数值正确。 将函数波形发生器的输出信号频率f调到200Hz。此时 iV=0.2V。否则调整R。 o2w1 V= -0.2V。否则调整R。 o34 V应= -5/9V。否则调整R。 Rw2 V应=1V。否则分别检查V、V产生的输入。 oRo3 V产生的输出-应为VR。否则调整R。 R9V产生的输出应为-4/9V，否则调整R。 o36固定电阻的调整可用一个接近要求值的电阻和一个小阻值的电阻串联来实现。 根据5-1-2中的频率点，测出对应的V、V、V、V，应基本符合表5-1-2中的值。 o2o3Ro 表5-1-2 有关点直流电压 与f的关系 i f(Hz) 200 650 1100 1550 2000 i V(V) 0.2 0.65 1.1 1.55 2.0 o2 V(V) -0.2 -0.65 -1.1 -1.55 -2.0 o3 V(V) -5/9 -5/9- -5/9 -5/9 -5/9 R V(V) 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 o 五、实验内容 画出观察到的有关点的信号波形; 根据表5-1-2中给定的频率点自行列表，填入个频率点上直流电压的理论值和实际测量值。 对测量值与计算值误差较大的项进行分析。 写出实验中曾出现过的故障现象、原因分析及解决方法。