2022年频率电压变换器 .pdf

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1、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fi在 200Hz2kHz 范围内变化时 ,对应输出的直流电压Vi在 15V 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 : 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2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 . -输入比较器定时比较器+5671sQTCtRtVCC2/3VCC9/10VCCs置“1”端置“0”端RRLCL-V0fi图5-1-1+VCCQ+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 . 工作过程 (结合看图5-1-2 所示的波形 )如下 : 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载

3、- - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 2/3VCC0vctt1.1RtCtt0V0vCL0t3.5vp-pVCC01/fit1st0图5-1-2当输入负脉冲到达时,由于6脚电平低于7脚电平 ,所以 S=1(高电平 )，Q=0（低电平）。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 此时放电管T

4、 截止，于是Ct由 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=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充放电平均电流平衡

5、时，得Vo=I （ 1.1RtCt） fiRL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ittSLofCRRR09. 2V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 10A500A范围内调节，故RS可在 190k3.8 k范围内调节。 一般 RS在 10k左右取用。2LM331 用作 FVC 的典型电路LM331 用作 FVC 的电路如图5-

6、1-3 所示。10K10KRXRt6.8K0.01100K1012K22KRSfi470p12345678LM331lo图5-1-3+VCCmA2.02VRCCx在此， VCC=12V 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 所以Rx=50k取Rx=51 kittSLofCRRR09.2V取RS=14.2 k 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 5-1-1

7、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 图 5-1-3 中 fi是经过微分电路470pF 和 10 k加到 6脚上的。 6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。函数波形发生器反相加法器反相器F/V变换比较器正弦波fi=2002000Hz方波直流0.2 2V-0.2 2V参考电压VR图5-1-4V0=15V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

8、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - ICL803810k100k100k10k10k10k1041042236.2k6.2k1k10k10u10k100k10k101010k1.8k470p12k2k10k51k106.8k0.0110100k51k100k9k4.7k20k20k1k10k15k12345678910111223467+

9、-+4871267851323+2476423-+746R1R2RXC2C3C1C5C43+VCC-VEEV010RSR3Rw1RLR5A741LM311LM331OP07OP07（2个18k并联）R9RtR4R5R8Rw2R10R11R6CLCt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。23451k67100kR4RL100kVCC+VCC-VEEVo1Vi1R5图5-1-6OP07+-名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - -

10、 - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 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=100k（见图 5-1-3） ，所以反相器的输入电阻应为100 k，因而取 RL=100。反相器的 Au=-1，所以R4=RL=100 k 平衡电阻 R5=RL/R4=50 k 取 R5=51 k。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

11、所示。23467R10R6Vo3+VCC-VEEVoVRR11图5-1-7OP07R9R9103o610oVRRVRRV已知 Vo3= -Vo2= -fi10-3V R9103i610oVRR10fRRV技术要求fi=200Hz 时，Vo=1V fi=2000Hz 时， Vo=5V 即V)450f95(450f250Viio（2）对照式和 式，可见应有V95VRRR910若取 R10=R9=20 k，则 VR= -95V 450f10fRRi3i610R6=9k ，用两个 18 k 电阻并联获得。平衡电阻 R11R11/R6/R9=4.7 k。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - -

12、- - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 参考电压 VR可用电阻网络从-12V 电源电压分压获取，如图5-1-8 所示。-12VRW210k15kR7VRR920kR81k图5-1-895)R/R(RRR/RV9872W98R若取R8=1k，则 R8/R9=0.952 kRw2+R7=19.6 k取 R7= 15 kRw2用 10 k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10F/16V。2反相加法

13、器另一种设计方法如图5-1-9 所示。R10R6Vo3+VCC-VEEVoVRR11图5-1-9A741+-R9设 fi=200Hz 时为 Vo3，要求 Vo1=1V，则 fi=2000Hz 时为 10Vo3要求 Vo=5V )RRVRRV(V910R6103oo)RRVRRV(910R6103o1 （1）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - )RRVRRV(910R6103o5 （2）（1）-（2） ：94RRV4R

14、RV96103o6103o（3）（1）10-（2） ：95RRV5RRV9910R910R（4）由，若取 VR= -1V ，则95RR910，取定一个电阻就可确定另一个。即若取V95VR，则 R10=R9，取定 R10、R9。知道 R10，则由 根据 Vo3大小，可确定R6。设 Vi3= -0.2V ，则920RR610，从而得106R209R。四、测量和调整观察图 5-1-5 中有关点的波形。可在 200Hz2kHz 内的任一频率上观察。Vi1应为直流电平0，幅度 0.22VCC的正弦波。Vo1应为单极性的正方波，幅度VCC。Vi2应为直流电平VCC的正负脉冲。Vo2应为正直流电压，Vo3应

15、为负直流电压，VO应为正直流电压。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fi调到 200Hz。此时Vo2=0.2V 。否则调整Rw1。Vo3= -0.2V 。否则调整R4。VR应= -5/9V 。否则调整Rw2。Vo应=1V。否则分别检查VR、Vo3产生的输入。VR产生的输出 -应为 VR。否则调整R9。Vo3产生的输出应为-4/9V ，否则调整R6。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Vo2、Vo3、VR、Vo，应基本符合表5-1

16、-2 中的值。表 5-1-2 有关点直流电压与 fi的关系fi（Hz）200 650 1100 1550 2000 Vo2（V）0.2 0.65 1.1 1.55 2.0 Vo3（V）-0.2 -0.65 -1.1 -1.55 -2.0 VR（V）-5/9 -5/9- -5/9 -5/9 -5/9 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - Vo（V）1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 五、实验报告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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -