利用LM331进行频率电压转换教学教材

1、精品文档.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 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 :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 F/V 变换器 LM331, 其输出与

2、输入的脉冲信号重复频率成正比 因为上述第2 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 .Rt此时 ,1 脚是输出端 （恒流源输出 ）,6 脚为输入端 （输入脉冲链 ）,7脚接比较电平 工作过程 （结合看图 5-1-2 所示的波形 ）如下 :精品文档精品文档VCCp-p当输入负脉冲到达时 ,由于6脚电平低于7脚电平 ,所以 S=1（高电平 ），Q=0（低电平）。精品文档精品文档

3、此时放电管 T截止，于是 Ct由VCC经 Rt充电，其上电压 V Ct按指数规律增大。与此同时， 电流开关 S使恒流源 I与1脚接通，使 CL充电，V CL按线性增大（因为是恒流源对 CL充电）。 经过 1.1RtCt的时间， V Ct增大到 2/3V CC时，则 R 有效（ R=1，S=0）， 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。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 o（这与电源的整流滤波原理类 似），并且 V o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） fiCL 的平

4、均放电电流为 V o/RL当 CL 充放电平均电流平衡时，得Vo=I （ 1.1RtCt） fiRL式中 I 是恒流电流， I=1.90V/R 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 Vo 2.09 L RtCtf iRS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 f i，要使 V o为一定植，可调节 RS的大小。恒流源电流 I 允许在 10 A500 A 范围内调节，故 RS可在 190k3.8 k 范围内调节。一般 RS在 10

5、k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。lo图5-1-3VCC 20.2mA在此， V CC=12V精品文档精品文档所以Rx=50k取Rx=51 kRVo 2.09 L RtCtf ioRS t t i取RS=14.2 k 则 Vo=fi10 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)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加到 6脚上

6、的。 6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。图5-1-4参考电压 VRV0=15V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。精品文档精品文档图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。1 反相器反相器的电路如图 5-1-6 所示。精

7、品文档精品文档 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 A u=-1，所以R4=RL=100 k平衡电阻 R5=R L/R 4=50 k 取 R5=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 5-1-7 所示。VoR10R6Vo3R10R9VoVR已知 V o3= -V o2= -f i 10-3VR 10 3 R10 V o10 f

8、i 10 3 10 V RR 6R9技术要求fi=200Hz 时， Vo=1V fi=2000Hz 时， Vo=5V即Vo250 fi450(9 450)V2）对照式和式，可见应有RR190 VR 59V5 若取 R10=R9=20 k，则 VR= - V9R10R6fi10 3fi450R6=9k ，用两个 18 k 电阻并联获得。 平衡电阻 R11R11/R6/R9=4.7 k。精品文档精品文档 参考电压 V R可用电阻网络从 -12V 电源电压分压获取，如图 5-1-8所示。-12V10kRW215kR7VRR81kR920k图5-1-8VRR 8 / R 9 5RW2 R7 (R8/

9、R9) 9若取 R8=1k，则 R8/R9=0.952 kRw2+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 。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 ，则 f i=2000Hz 时为 10Vo3 要求 V o=5VR10Vo(Vo3 RR160VR RR190 )精品文档精品文档R 10R10(Vo3VR10 ) 1R6R9R 10R10(Vo3VR10 ) 5R6R91

10、)2)R1)-(2)： 9Vo3 10 4R6R104V o3 10(3)o3 R 691) 10-( 2)：9VRR10R9VRR 10R94)R5由，若取 VR= -1V，则 10 ，取定一个电阻就可确定另一个。R9 95即 若取 V RV ，则 R10=R9，取定 R10、R9。9知道 R10，则由根据 Vo3 大小，可确定 R6。R10 20设 V i3= -0.2V ，则 10 ，R6 99 从而得 R 6R10 。20四、测量和调整观察图 5-1-5 中有关点的波形。 可在 200Hz2kHz 内的任一频率上观察。Vi1应为直流电平 0，幅度 0.22V CC的正弦波。Vo1 应为

11、单极性的正方波，幅度 VCC。Vi2 应为直流电平 V CC的正负脉冲。V o2应为正直流电压， V o3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。精品文档精品文档Vo 应=1V 。否则分别检查 V R、 V o3产生的输入。VR 产生的输出 -应为 VR。否则调整 R9。V o3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）200650110015502000Vo2（V）0.20.651.11.552.0Vo3（V）-0