利用LM331进行频率电压转换..docVIP

.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200Hz~2kHz范围内变化时,对应输出的直流电压Vi在1~5V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: 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比. 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. 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: 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）。此时放电管T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）， =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）×fi CL的平均放电电流为Vo/RL 当CL充放电平均电流平衡时，得 Vo=I×（1.1RtCt）×fi×RL 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 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10A~500A范围内调节，故RS可在190kΩ~3.8 kΩ范围内调节。一般RS在10kΩ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。 在此，VCC=12V 所以 Rx=50kΩ取 Rx=51 kΩ 取 RS=14.2 kΩ 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 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 kΩ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。 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。 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=100kΩ（见图5-1-3），所以反相器的输入电阻应为100 kΩ，因而取RL=100。 反相器的Au=-1，所以 R4=RL=100 kΩ 平衡电阻R5=RL//R4=50 kΩ 取 R5=51 kΩ。 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。 已知Vo3= -Vo2= -fi×10-3V ∵ 技术要求 fi=200Hz时，Vo=1