《频率电压变换器》doc版.doc

5.2 频率/电压变换器本课题介绍一种频率/电压变换器的设计方法，通过本课题要求熟悉集成频率集成频率/电压变换器LM331的主要性能和典型应用，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。一、设计要求1.技术要求（1）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V0在1V5V范围内线性变化。（2）正弦波信号源采用函数波形发生器（参见5.1节）。（3）采用12V电源供电。2.方案选择可供选择的方案有两种：（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）直接应用频率电压变换专用集成块LM331，其输出与输入的脉冲信号重复频率成正比。因第2种方案的性价比较高，故本题用LM331实现。3.LM331的工作原理LM331的引脚排列和主要性能见附录。LM331即可用作电压/频率转换，也可用作频率/电压转换。 LM331的原理框图如图5-2-1所示。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。图5-2-1 LM331原理框图该器件的工作过程（结合图5-2-1所示的波形）如图5-2-2所示。当输入负脉冲未达到时，由于脚电平Vcc，高于脚电平，所以S=0（低电平）。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），Q=0(低电平)。此时放电管T截止，于是Ct有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=1，于是T导通，Ct通过T迅速放电。与此同时，开关使恒流源I接地，从而CL通过RL放电，VCL减小。当下一个输入负脉冲到达时，又使S=1，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。图5-2-2 LM331工作波形以后就重复上面的过程，于是在RL上得到一个直流电压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）fi，平均放电电流为VO/RL,当CL充放电平均电流平衡时，有VO=I（1.1RtCt）fiRL式中I是恒流源电源I=1.90V/RS其中1.90V是LM331内部的基准电压（即脚上的电压）。于是得 VO=2.09RLRSRtCtfi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，则应选用高精度、高稳定性的元件。对于某一fi，要使VO为其对应值，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190k3.8k范围内调节。一般RS在10k左右取用。4.LM331用作频率/电压变换的典型电路LM331用作FVC的电路如图5-2-3所示。图中RX=VCC-2V0.2mA在此，VCC =12V。所以RX=50k。取RX=51K,则VO=2.09RLRSRtCtfi取RS=14.2k，则VO=fi10-3V。由此得VO与fi在几个特殊频率上的对应关系如图表5-2-1所示。图5-2-3 LM331用作频率电压变换的典型电路RS表5-2-1 Vo和fi的关系fi/Hz200650110015502000Vo/V0.20.651.11.552图5-2-3中fi是经过微分电路470pF和10k加到脚上的。脚上要求的触发电压时脉冲，所以图5-2-3中的fi应是脉冲波。 5.系统框图 频率/电压变换器的框图如图5-2-4所示。图5-2-4 系统框图 函数波形发生器输出的正弦波经比较器变换成方波。方波经频率变换成直流电压。直流正电压经反相器变成负电压，再与参考电压VR通过反相加法器得到符合技术要求的VO。 6.反相器和反相加法器的设计 函数波形发生器和比较器电路的设计分别见5.1节和有关实验，在此仅讨论反相器和反相加法器的设计。（1） 反相器反相器的电路如图5-2-5所示。由于都是直接耦合，为减小失调电压对输出电压的影响，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5-2-3），所以反相器的输入电阻为100 k，因而取RL=100 k。反相器的Av=-1，所以RI=RL=100k。平衡电阻R2=RLRI=50 k,取R2=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5-2-6所示。图5-2-6 反相加法器电路图5-2-5 反相器电路VO=-R3R1VO3-R3R2VR已知 VO3=-VO2=-fi10-3V 所以 VO=R3R1fi10-3-R3R2VR (5-2-1)根据技术要求：fi=200Hz时，VO=1V；fi=2000Hz时，VO=5V，即VO=250+fi450=（59+fi450）V (5-2-2)对照式（5-2-1）和式（5-2-2），可得-R3R2VR=59V若取R2=R3=20k，则VR=-59V。而R3R1fi10-3=fi450故R1=9k，用两个18k电阻并联获得。平衡电阻R4R1R2R3=4.7k。参考电压VR可用电阻网络从-12V电源分压获取，如图5-2-7所示，其中的R2就是图5-2-6中的电阻R2。图5-2-8 反相加法器另一种设计电路图5-2-7 参考电压VR的获取VR=R3R2RW+R1+(R3R2）VEE=-59V若取R3=1k，则R3R2=0.952k，有RW+R1=19.6k取R1=15k，RW用10k电位器。反相加法器的另一种设计方法如图5-2-8所示。设fi=200Hz时反相器输出为VO3*，要求VO=1V，则fi=200Hz时反相器输出为10VO3*，要求VO=5V。因VO=-(VO3R3R1+VRR3R2)故 -VO3*R3R1+VRR3R2=1 (5-2-3) -10VO3*R3R1+VRR3R2=5 (5-2-4)式（5-2-3）与式（5-2-4）相减，得 9VO3*R3R1=-4 VO3*R3R1=-49 (5-2-5)将式（5-2-3）乘10再与式（5-2-4）相减，得 -9VRR3R2=5 VRR3R2=-59 (5-2-6)由上式，若取VR=-1V，则R3R2=59，取定一个电阻就可确定另一个。若取VR=-59V，则R3=R2。求出R3后，则由公式（5-2-5）并根据VO3*大小可确定R1。设VO3*=-0.2V，则R3R1=209，从而得R1=920R3。该频率/电压变换器的整机电路如图5-2-9所示。图中的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。二、设计任务试设计一个频率/电压变换器，要求：（1）当正弦波信号的频率fi在400Hz4kHz范围内变化时，对应输出的直流电压VO在2V10V范围内线性变化。（2）正弦波信号源采用函数波形发生器。（3）采用12V电源供电。三、设计报告要求 1.列出已知条件，技术指标。2.分析电路原理。3.写出设计步骤：（1）电路形式选择。（2）电路设计，对所选电路中的各元件值进行计算式估算，并标于图中。4.测试与调整：（1）按技术要求测试数据，对不满足技术指标的参数进行调整，并整理列出表格，在方格纸上绘出波形。（2）故障分析几说明。5.误差分析。四、思考题1.在本课题中，为何使用反相器和反相加法器实现加法运算，而不