频率电压变换器

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 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 1 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 因为上述第种方案的性能价格比较高 故本课题用 LM331 实现 2 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 5 6 7 1 s Q T Ct Rt VCC 2 3VCC 9 10VCC s 置 1 端 置 0 端 R RL CL V0 fi 图5 1 1 VCC Q 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 1 6 7 工作过程 结合看图 5 1 2 所示的波形 如下 2 3VCC 0 vct t 1 1RtCt t 0 V0 vCL 0 t 3 5vp p VCC 0 1 fi t 1 s t 0 图5 1 2 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 6 7 Q 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 1 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Q 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 itt S L o fCR R R 09 2 V 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 190k 3 8 k 范围内调节 一般 RS在 10k 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 10K 10K RX Rt 6 8K 0 01 100K 10 12K 22K RS fi 470p 1 2 34 5 6 7 8 LM331 lo 图5 1 3 VCC mA2 0 2V R CC x 在此 VCC 12V 所以 Rx 50k 取 Rx 51 k itt S L o fCR R R 09 2 V 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 Vo 和 fi 的 关系 Fi Hz 200650110015512000 Vo V 0 20 651 11 552 0 图 5 1 3 中 fi是经过微分电路 470pF 和 10 k 加到 脚上的 脚上要求的触发电压是脉冲 6 6 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 200 2000Hz 方波 直流 0 2 2V 0 2 2V 参考电压VR图5 1 4 V0 1 5V 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 ICL8038 10k 100k 100k 10k 10k 10k 104 104 223 6 2k 6 2k 1k 10k 10u 10k 100k 10k 10 10 10k 1 8k 470p 12k 2k 10k 51k 10 6 8k 0 01 10 100k 51k 100k 9k 4 7k 20k 20k 1k 10k 15k 1 2 3 4 56 7 8 9 10 1112 2 3 4 6 7 4 8 7 1 2 6 7 8 5 1 3 2 3 2 4 7 6 4 2 3 7 4 6 R1 R2 RX C2 C3 C1 C5 C4 3 VCC VEE V0 10 RS R3 Rw1 RL R5 A741 LM311 LM331 OP07 OP07 2个18k并联 R9 Rt R4 R5 R8 Rw2 R10 R11 R6 CL Ct 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 反相器 1 反相器的电路如图 5 1 6 所示 2 3 4 51k6 7 100k R4 RL 100k VCC VCC VEE Vo1 Vi1 R5 图5 1 6 OP07 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 反相加法器 2 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 2 3 4 6 7 R10 R6 Vo3 VCC VEE Vo VR R11 图5 1 7 OP07 R9 R 9 10 3o 6 10 o V R R V R R V 已知 Vo3 Vo2 fi 10 3V R 9 103 i 6 10 o V R R 10f R R V 技术要求 fi 200Hz 时 Vo 1V fi 2000Hz 时 Vo 5V 即 2 V 450 f 9 5 450 f250 V ii o 对照 式和 式 可见应有 V 9 5 V R R R 9 10 若取 R10 R9 20 k 则 VR V 9 5 450 f 10f R R i3 i 6 10 R6 9k 用两个 18 k 电阻并联获得 平衡电阻 R11 R11 R6 R9 4 7 k 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 12V RW2 10k 15k R7 VR R9 20k R8 1k 图5 1 8 9 5 R R RR R R V 9872W 98 R 若取 R8 1k 则 R8 R9 0 952 k Rw2 R7 19 6 k 取 R7 15 k Rw2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 10 F 16V 反相加法器另一种设计方法如图 5 1 9 所示 2 R10 R6 Vo3 VCC VEE Vo VR R11 图5 1 9 A741 R9 设 fi 200Hz 时为 Vo3 要求 Vo1 1V 则 fi 2000Hz 时为 10Vo3要求 Vo 5V R R V R R V V 9 10 R 6 10 3oo 1 1 R R V R R V 9 10 R 6 10 3o 5 2 R R V R R V 9 10 R 6 10 3o 1 2 3 9 4 R R V4 R R V9 6 10 3o 6 10 3o 1 10 2 4 9 5 R R V5 R R V9 9 10 R 9 10 R 由 若取 VR 1V 则 取定一个电阻就可确定另一个 9 5 R R 9 10 即 若取 则 R10 R9 取定 R10 R9 V 9 5 VR 知道 R10 则由 根据 Vo3大小 可确定 R6 设 Vi3 0 2V 则 9 20 R R 6 10 从而得 106 R 20 9 R 四 测量和调整 观察图 5 1 5 中有关点的波形 可在 200Hz 2kHz 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 2 中的值 表 5 1 2 有关点直流电压 与 fi的关系 fi Hz 20065011