设计一个频压变换器

1、设计一个频压变换器输入频率变化范围：2002000Hz,要求输出对应的直流电压为：15V频率/电压变换器1. 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 直流电压匕在1V5V范围内线性变化。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 重复频率成正比。因第2种方案的性价比较高，故本题用3. L M331的工作原理LM331的引脚排列和主要性能见附录。 可用作频率/电压转换。LM331,其输出与输入的脉冲信号LM33实现。LM33即可用作电压/频率转换，也，脚LM33的

2、原理框图如图5-2-1所示。此时，脚是输出端(恒流源输出) 为输入端(输入脉冲链)，脚接比较电平。LM331器件管脚图及管脚功能：CURRENT j_ VSOUTPUTREFERENCE 2 CURRENTLI331COMPARATOR INPUTFREQUENCY 3THRESHOLODOUTPUTGKD5 R/C引脚号引脚名功能1Curre ntOutput电流输出2Ref Curre nt基准电流3Freque ncyOutput频率输出4GND接地5R/C接RC定时电路6Thresholod阈值7Comparato r In put比较输入8VS电源LM331既可用作电压一一频率转换（

3、VFC）也可用作频率电压转换（FVC）一一DL_ 黒1_ 一 ETFT一 EM-L_ is?l_ _口=一-Osip图5-2- 1LM331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145Vp-poS0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R充电，其上电压 仏按指数规律增大。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I.IRtC的时间，VCt增大到2

4、/3Vcc时，贝U R有效（R=1, S=0），Q =1,于是T导通，C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R放电，Vcl减小。当下一个输入负脉冲到达时，又使S=1, Q =0, G、CL再次充电。然后，又经过I.IRtC的时间返回到C、CL放电。以后就重复上面的过程，于是在R.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V。与输入脉冲的重复频率f i成正比。CL的平均充电电流为I X（ 1.1RtC）Xfi,平均放电电流为 Vo/Rl,当CL充放电平均电流平衡时，有Vo=I x( I.IRtC) XfiXRL式中I是恒流源电源I = 1.90V/R

5、s其中1.90V是LM331内部的基准电压（即脚上的电压）。于是得可见，当FS、R、C、R_ 一定时，V。正比于fi，显然，要使 W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V。为其对应值，可调节 恳的大小。恒流源电流I允许在10卩A500A范围内调节，故 恳可在190kQ3.8k Q 范围内调节。一般 恳 在10k Q左右取用。4. LM331用作频率/电压变换的典型电路LM33佣作FVC的电路如图5-2-3所示。图中VPP-2V0.2mA在此，:=12V。所以 1=50kQ。取 1 =51心，则取=14.2k Q,则V。由此得与在几个特殊频率上的

6、对应关系如图表5-2-1 示。表5-2- 1Vo和fi的关系fi/Hz200650110015502000Vo/V0.20.651.11.552图5-2-3中是经过微分电路470pF和10kQ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。聲希电庄煦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，再与参考电压匚通过反相加法器得到符合技术要求的。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。

7、（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-=100kQ （见图5-2-3），所以反相器的输入电阻为100 kQ，因而取-=100 kQ。反相器的 _1 , 所以Ri = Rl = 100k。平衡电阻电二寿二二50 kQ ,取=51 kQ。（2）反相加法 器用反相加法器是因为它便于调整一一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5-2-6所示已知-V0=f X10_3-Vr 所以 I?：(5-2-1)根据技术要求：=200Hz时，=1V; =2000Hz时，=5V,

8、即vo=(-+) V-二(5-2-2)对照式（5-2-1）和式（5-2-2），可得若取胃沪-廿=20kQ ,故=9kQ，用两个18kQ电阻并联获得。平衡电阻 _/=4.7k Q。参考电压？可用电阻网络从-12V电源分压获取，如图5-2-7所示，其中的VOC真410OvoVtBCtilo-VKVRtlth-一就是图5-2-6中的电阻一1ZVCVRK3F23kWDGM）R3IIR2 y rw+rt+（r3 II r2）即若取=1kQ，则=0.952kQ，有Rw+R二 19 加取 一=15kQ, 用 10kQ 电位器。反相加法器的另一种设计方法如图5-2-8所示。设=200Hz时反相器输出为-，要求

9、 =1V，则=200Hz时反相器输出为10 一，要求=5Vo因Ra R3V0 = -(V03+Vh)曲+计(5-2-3)-r-r (5.2.4)式（ 5-2-3）与式（5-2-4）相减，得9Vq3 中二 -4将式（5-2-3 ）乘10再与式（5-2-4）相减，得空5由上式，若取 -1V，贝,.=，取定一个电阻就可确定另一个。若取则喙求出后，则由公式（5-2-5 ）并根据大小可确定一。设=-0.2VIL = -R-从而得-。该频率/电压变换器的整机电路如图5-2-9所示。图中的一、一、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卩测量和调整观察图5-1-5中有关点的波形。R, 2

10、0，则二 ,:、-均为F/16V。可在200Hz2kHz内的任一频率上观察。Vil应为直流电平0，幅度0.22Vcc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，V3应为负直流电压，V。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 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、V03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、V3、Vr、V