利用LM331進(jìn)行頻率電壓轉(zhuǎn)換匯總

1、.ffff5.1頻率/電壓變換器*一、概述本課題要求熟悉集成頻率一一電壓變換器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(jì)、測(cè)量和調(diào)整方法。二、技術(shù)要求當(dāng)正弦波信號(hào)的頻率fi在200Hz2kHz范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)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(hào)源采用函數(shù)波形發(fā)生器的輸出（見(jiàn)課題二圖5-2-3）;采用土12V電源供電.三、設(shè)計(jì)過(guò)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(hào)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(hào)重復(fù)頻率成正比.因?yàn)樯鲜龅凇?種方案的性能價(jià)格比較

2、高，故本課題用LM331實(shí)現(xiàn).LM331的簡(jiǎn)要工作原理LM331的管腳排列和主要性能見(jiàn)附錄LM331既可用作電壓一一頻率轉(zhuǎn)換（VFC）可用作頻率一一電壓轉(zhuǎn)換（FVC）LM331用作FVC時(shí)的原理框如圖5-1-1所示.+VCC此時(shí),腳是輸出端（恒流源輸出）,（6腳為輸入端（輸入脈沖鏈）,（7腳接比較電平工作過(guò)程（結(jié)合看圖5-1-2所示的波形）如下：2/3V圖5-1-2當(dāng)輸入負(fù)脈沖到達(dá)時(shí)，由于C6腳電平低于。7腳電平，所以S=1（高電平），Q=0（低電平）。此時(shí)放電管T截止，于是Ct由Vcc經(jīng)Rt充電，其上電壓Vet按指數(shù)規(guī)律增大。與此同時(shí)，電流開關(guān)S使恒流源I與C1腳接通，使Cl充電，Vcl按線

3、性增大(因?yàn)槭呛懔髟磳?duì)Cl充電)。經(jīng)過(guò)I.IRtCt的時(shí)間，Vet增大到2/3Vcc時(shí)，則R有效(R=1,S=0),Q=0,Ct、Cl再次充電。然后，又經(jīng)過(guò)I.IRtCt的時(shí)間返回至UG、Cl放電。以后就重復(fù)上面的過(guò)程，于是在Rl上就得到一個(gè)直流電壓V。(這與電源的整流濾波原理類似)，并且V。與輸入脈沖的重復(fù)頻率fi成正比。Cl的平均充電電流為ix(I.IRtCt)XfiCl的平均放電電流為Vo/Rl當(dāng)Cl充放電平均電流平衡時(shí)，得Vo=IX(I.IRtCt)XfiXRl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)。一R于是得V。=2.09Rt

4、CtfiRs可見(jiàn)，當(dāng)Rs、Rt、Ct、Rl一定時(shí)，V。正比于fi,顯然，要使V。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(duì)于一定的片，要使V。為一定植，可調(diào)節(jié)Rs的大小。恒流源電流I允許在10NA500NA范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故Rs可在190kQ3.8kQ范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。一般Rs在10k左右取用。2 .LM331用作FVC的典型電路LM331用作FVC的電路如圖5-1-3所示。I。=圖5-1-3RxVcc -20.2mA在此，Vcc=12V所以Rx=50ka 取Rx=51 k QR,Vo=2.09LRCfiRs取Rs=14.2kQ則V0=fi><103V由此得Vo與

5、fi在幾個(gè)特殊頻率上的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5-1-1所示。表5-1-1Vo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(guò)微分電路470pF和10kQ加到6JiP上的。6JiP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(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)生器正弦波比較器方波F/V變換直流一反相器-0.22V反相加法器*fi=2002000Hz0.22VV0=15V圖5-1-4參考電壓VR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

6、變成負(fù)電壓，再與參考電壓Vr通過(guò)反相加法器得到符合技術(shù)要求的V。整機(jī)電路如5-1-5所示。C2+1k10k10k6.2k6.2k810k28569C177ICL803872610k1470PA7411100k1032410k104223+10k10104+15k10k106.8k10k51k8570.016100kLM33120k1279k612kOP07+OP07410k4圖5-1-5+V3751k6i1421.8k+10uRl34.7k3+351k1211342（2個(gè)18k并聯(lián)）反相器和反相加法器的設(shè)計(jì)計(jì)算函數(shù)波形發(fā)生器，比較器電路的設(shè)計(jì)計(jì)算分別見(jiàn)課題二以上介紹了F/V變換器，下面介紹反相

7、器和反相加法:反相器反相器的電路如圖5-1-6所示。100k力U10k+VCC7621r100k1kF920k10k3+LM31110季+10-Vee100k0-VeeR4100k圖5-1-6因?yàn)槎际侵苯玉詈希瑸闇p小失調(diào)電壓對(duì)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=100kQ（見(jiàn)圖5-1-3）,所以反相器的輸入電阻應(yīng)為100kQ,因而取Rl=100o反相器的Au=-1,所以R4=Rl=100kF平衡電阻R5=Rl/R4=50kQ取R5=51kQ。2：反相加法器用反相加法器是因?yàn)樗阌谡{(diào)整一-可以獨(dú)立調(diào)節(jié)兩個(gè)信號(hào)源的輸出電壓而不會(huì)相互影響，電路如圖5-

8、1-7所示。VoR10R6Vo3R10R9Vr已知 Vo3= -V 02= -fiX 10-3VVo =R-fi 10, -'vrR6R9技術(shù)要求fi=200Hz 時(shí)，Vo=1Vfi=2000Hz 時(shí)，Vo=5V250 f.5f.即 Vo =fi =(5 fi )V4509 450(2)對(duì)照式和式，可見(jiàn)應(yīng)有5右取 R0=R9=20 k Q ,則 Vr= -V9燈10”R6fi450R6=9kQ,用兩個(gè)18kQ電阻并聯(lián)獲得。平衡電阻R11=R11R6/R9=4.7kQ。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。-12V10kriRw215kRVRoR81kr

9、iR9LII20k圖5-1-87R8/R95VRRw2R7(R8/R9)9若取R8=1kQ,則R8/R9=0.952kQRw2+R7=19.6kQ取R7=15kQRw2用10kQ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，電容值土勻?yàn)?0科F/16V。2：反相加法器另一種設(shè)計(jì)方法如圖5-1-9所示。設(shè)fi=200Hz時(shí)為Vo3,要求Vo1=1V,則fi=2000Hz時(shí)為10Vo3要求Vo=5VVo=.（Vo3詈Vr乎）R6R9YVo3R10+VrR10）=1（1）R6R9R10R10(Vo3-+VR-)5(2)R6R9(1)-：9Vo3

10、9;=4tV03R=4(3)ooR6R69(1)Ml0-(2)：_9VrR10=5tVrR10=5(4)R9R99R5由，若取VR=-1V,則3=2,取定一個(gè)電阻就可確定另一個(gè)。R995.即右取VR=V,則R10=R9,取7ER10、R9。9知道R10,則由(3)根據(jù)Vo3大小，可確定R6。設(shè)Vi3=-0.2V,則R0=20,R699從而付R6=R10O20四、測(cè)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。V i1應(yīng)為直流電平0,幅度=0.22Vcc的正弦波。V o1應(yīng)為單極性的正方波，幅度Vcc。V i2應(yīng)為直流電平Vcc的正負(fù)脈沖。V o2應(yīng)為正直流電

11、壓，Vo3應(yīng)為負(fù)直流電壓，Vo應(yīng)為正直流電壓。測(cè)量圖5-1-5中有關(guān)點(diǎn)的直流電壓首先要保證頻率計(jì)，電壓表完好，即保證測(cè)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(hào)頻率fi調(diào)到200Hz。此時(shí)V o2=0.2V。否則調(diào)整Rw1。V o3=-0.2V。否則調(diào)整R4。V R應(yīng)=-5/9V。否則調(diào)整Rw2。V o應(yīng)=1Vo否則分別檢查VR、Vo3產(chǎn)生的輸入。V R產(chǎn)生的輸出-應(yīng)為VRO否則調(diào)整R9。V o3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(gè)接近要求值的電阻和一個(gè)小阻值的電阻串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)5-1-2中的頻率點(diǎn)，測(cè)出對(duì)應(yīng)的V02、V03、VR、V。，應(yīng)基本符合表5-1-2中的值。表5-1-2有關(guān)點(diǎn)直流電壓與片的關(guān)系fi(Hz)200650110015502000Vo2(V)0.20.651.11.552.0Vo3(V