利用LM331进行频率电压转换

1、.ffff5.1 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）;采用土 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 :O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?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

2、比因为上述第C2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既可用作电压一一频率转换（VFC）可用作频率一一电压转换（FVC）LM331 用作 FVC 时的原理框如图 5-1-1 所示.Rt此时,O脚是输出端（恒流源输出），脚为输入端（输入脉冲链）,0脚接比较电平 工作过程（结合看图5-1-2所示的波形）如下:VCCp-ps图5-1-2当输入负脉冲到达时，由于脚电平低于C7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由Vcc经Rt充电，其上电压 Vet按指数规律增大。与此同时,电流开

3、关S使恒流源I与d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I.IRtCt的时间，Vet增大到2/3V cc时，贝U R有效(R=1 , S=0 ), Q =0 , Ct、Cl再 次充电。然后，又经过 I.IRtCt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 V。(这与电源的整流滤波原理类似)，并且V。与输入脉冲的重复频率 fi成正比。Cl的平均充电电流为 ix(1.1RtCt)XfiCl的平均放电电流为 Vo/Rl当Cl充放电平均电流平衡时，得Vo=| X(1.1RtCt)XfiXRL式中I是恒流电流，I=1.90V/R

4、s式中1.90V是LM331内部的基准电压(即 2脚上的电压)。r于是得 V。209RtCtfjRs可见，当Rs、Rt、Ct、Rl一定时，Vo正比于fi，显然，要使 V。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V。为一定植，可调节 Rs的大小。恒流源电流I允许在10A500 A范围内调节，故 Rs可在190k Q3.8 k Q范围内调节。一般 Rs在10k Q左右取用。2 . LM331用作FVC的典型电路LM331用作FVC的电路如图5-1-3所示。Rx在此，所以V。r10K10KR0.0112K100K22K06.Rkfi 470p8756

5、LM3312143Vcc 20.2mAVcc=12VRx=50k Q取Rx=51 k QRlzopCtfiRs=14.2 k Q则 Vo=fiX10-V由此得V。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 Vo和fi的关系Fi(Hz)200650110015512000Vo(V)0.20.651.11.552.0图5-1-3中fi是经过微分电路470pF和10 k Q加到脚上的。脚上要求的触发电压是脉冲,所以图5-1-3中的f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。图5-1-4参考电压V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

6、换成直流电压。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=1 5V直Vo。整机电路如5-1-5所示。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。U反相器反相器的电路如图5-1-6所示。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 Q （见图5-1-3 ）,所以反相器的输入电阻应为100 k Q,因而取Rl=100。反相器的Au=-1 ,所以R4=Rl=100 k Q平衡电阻 R5

7、=R l/R 4=50 k Q 取 R5=51 k Q。2反相加法器用反相加法器是因为它便于调整一-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。+VCCVoR10Vo已知Vo3 = -V o2 = -fi X10-3VVoR10i 10技术要求fi=200Hz 时，Vo=1Vfi=2000Hz 时，Vo=5V(2)即 Vo 250 A (54509对照式和式，可见应有5v若取 R10=R9=20 k Q,贝 y Vr= - 5 V9R10i 10 3450R6=9k Q,用两个18 k Q电阻并联获得。平衡电阻 Rii MR11/R 6/R 9=4.7 k Qo参考

8、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。15kRs1k-12V10kR7VrR920k图5-1-8VrR 8 R 9 5R W2 R 7 (R 8 / R 9 )9若取 Rs=1k Q,贝y R8/R 9=0.952 k QRw2+R 7=19.6 k Q取 R7= 15 k QRw2用10 k Q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10疔/16V 。2反相加法器另一种设计方法如图5-1-9所示。Vo设 fi=200Hz 时为 Vo3，要求 Vo1=1V，贝y fi=2000Hz 时为 10V

9、o3 要求 Vo=5VVo(Vo3R10VrR10R9R i0Ri0、(Vo3V R-)iR6R 9R ioRio、(Vo3V R巴）5R6R 9(i )-(2):9VRioo34R6(1)(2)Rio4Vo3(3)R69(i ) io- (2):R ioR io59Vr5VrR9R99RioR9(4)由，若取Vr= -1V，则5，取定一个电阻就可确定另一个。5即 若取 VR V，贝U Rio=R9，取定 Rio、R9。9知道Rio，则由根据 Vo3大小，可确定 R6。设 Vi3 =-o.2V，贝U 已R69从而得9R 6R io。2o四、测量和调整观察图5-1-5中有关点的波形。可在200H

10、z2kHz内的任一频率上观察。Vii应为直流电平 0，幅度 0.22V CC的正弦波。Voi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应为负直流电压，VO应为正直流电压。测量图5-i-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 Rwi。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V02、V03、Vr、Vo，应基本符合表 5-1-2中的值。表5-1-2有关点直流电压与fi的关系fi（ Hz）200650110015502000Vo2（ V）0.20.651.11.552.0Vo3（ V）-0.2-0.65-1