频率电压转换电路设计讲解

1、淮海工学院课程设计报告书课程名称：模拟电子技术课程设计题目：频率/电压转换电路的设计系（院）:电子工程学院学期：12-13-1专业班级：电子112姓名：孙开峰学号：2011120658评语:成绩:签名日期:课程设计、实习报告专用纸_本设计实验要求对比较器、F/V变换器LM331、反相器和反相加法器的主要性能和应 用有所了解，要能掌握其使用方法。同时要了解它们的设计原理。本设计实验要求我们要灵活运用所学知识，对设计电路的理论值进行计算得到理论数据, 在与实验结果进行比较。1.1主要设计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在广5V范 围内线形变化；正

2、弦波信号源釆用函数波形发生器的输出；釆用12V电源供电.1.2设计方法设计总体框图如下，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.2、设计过程2.1函数信号发生器ICL8038芯片介绍2. 1. 1ICL8038 作用ICL 8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需调整个别的外部元件 就能产生从0.001HZ300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形 的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端，所以可 以用來

3、对低频信号进行频率调制。2. 1. 2ICL8038管脚介绍234567LCL80381413121 11()98图 2ICL8038表1 引脚功能介绍脚号引脚代号功能1、12Sine Wave Adjust正弦波失真度调节2Sine Wave Out正弦波输出3Triangle Out三角波输出4、5Duty Cycle Frequency方波的占空比调节、正弦波和三角波 的对称调节6V+正电源10V18V7FM Bias内部频率调节偏置电压输入8FM Sweep外部扫描频率电压输入9Square Wave Out方波输出，为开路结构10Timing Capacitor外接振荡电容11V-

4、or GND负电原或地13、14NC空脚第3页，共13页课程设计、实习报告专用纸2.2比较器的设计过零比较器过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。原理是利用比较器对两个输入电压进行 比较。两个输入电压一个是参考电压Vr, 一个是待测电压Vuo 一般Vr从正相输入端接入, Vu从反相输入端接入。根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电压。当参考电压 己知时就可以得出待测电压的测量结果，参考电压为零时即为过零比较器。 用比较器 构造的过零比较器存在一定的测量误差。当两个输入端的电压差与开环放大倍数之积小于 输出阈值时探测器都会给出零值。例如，开环放大倍数为106,输出阈值为6v时若两输 入级电

5、压差小于6微伏探测器输出零。这也可以被认为是测量的不确定度。2.3 F/V变换电路的设计2.3.1 F/V变换器的简单介绍LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换 器、A/ D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331釆用了新 的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的 精度。LM331的动态范围宽，可达100dB ;线性度好，最大非线性失真小于0.01%，工 作频率低到0. 1Hz时尚有较好的线性;变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单, 只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变

6、换电路，并且容易保证转换精度。2.3.2 LM331器件管脚图及管脚功能引脚号引脚名功能第3%,共13贝课程设计、实习报告专用纸_1Current Output电流输出CURRENT 1OUTPUT 8 V.2Ref Current基准电流D3Frequency Output频率输出REFERENCE 2CURKENT7.4GND接地113311 UJMFAKA1UKTWTTTR/C接RC定时电路V*Thresholod阈值FREQUENCY7jpncnAi atiComparator Input比较输入OUTPUTUXll 3n.UL UjJVS电源GNDR/C图4LM331器件管脚图及管脚

7、功2. 3.3 LM331内部功能图LM331的内部电路组成如右图所示由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱 动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成 输出驱动管釆用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出 脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。LM331可采用双电源或 单电源供电，可工作在4.040V之间，输出可高达40V,而且可以防止Vcc短路。2. 3. 4LM331用作FVC时的原理框第14页，共13页脚是输出端（恒流源输出），脚为输入端（输入脉冲链），脚接比较电平. 工作过程波形如下：图7

8、 工作过程波形当输入负脉冲到达时，由于脚电平低于脚电平，所以S二1（高电平），Q二0 （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（因为是恒遊 源对CL充电）。经过1. IRtCt的时间，VCt增大到2/3VCC时,则R有效（R二1, S二0）, Q =0, Ct、CL再次充电。然后，又经过1. 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

9、为：iX （1. IRtCt） 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=IX （1. IRtCt） XfiXRL 式中I是恒流电流：1=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V0二2. 09RlRtCtfi/Rs可见，当RS、Rt、Ct、RL 定时，V。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10PA500PA 范围内调节，故RS可在190k03. 8 kQ范围内调节。一般RS在10kQ左

10、右取用。注意：电容C1的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度來触发输入比较器, 但电容C1小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻RL和电容CL组成低通滤波器。 电容CL大些，输出电压V。的纹波会小些，电容CL小些，当输入脉冲频率变化时，输出 响应会快些。2. 3.5LM331用作FVC的电路Vo0.2niA在此，VCC二 12V所以Rx=50kQ 取Rx二51 kQV =2.09RtCtfRs取RS=14. 2 kQ则 Vo二fiX 10 -3V由此得Vo与fi在几个特殊 频率上的对应关系如表2所示。表2 Vo和fi的关系Fi(Hz)200650110015512000Vo (V

11、)0. 20. 651.11. 552.0图8中fi是经过微分电路470pF和10 kQ加到脚上的。脚上要求的触发电压是 脉冲，所以图2. 3.6. 1中的fi应是方波。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V。 整机电路如图9所示。10k10k图9 整机电路图2.4反相器的设计反相器的选取反相器的电路如图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，所以运算放大器釆用低失调运放0P07o由于LM331的负载电阻RL二lOOkQ (见图 5-1-3),

12、所以反相器的输入电阻应为100 kQ,因而取RL二100。反相器的Au二-1,所以 R4二RL二 100 kQ 平衡电阻 R5二RL/R4二50kQ 取 R5二51 kQ。2.5反相加法器的设计2. 5. 1反相加法器原理反相加法器运算电路是运用集成运算放大器LM741接外接电路组成的具有将输入的 信号不同比例放大后叠加反相输出功能的运算电路。反相加法运算电路的基本电路如图所 示。同相端接地，输入信号从反相端输入，当运算放大器的开环增益足够大时，其输入端 为虚地，Vsl和Vs2均可通过R1和R2转换电流，实现代数的相加运算。其输出电压为：Vo=- (Rf/Rl Vsl+Rf/R2 Vs2)当R

13、1二R2二R的时候：Vo=-Rf/R(Vsl+Vs2)式中的负号是因反相输入端所引起的2. 5.2反相加法器的参数设定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Ro己知 Vo3二-Vo2= -fiXlO-3V技术要求fi=200Hz 时,Vo二IVfi二2000Hz 时，Vo=5V即警Y+為V对照式和式，可见应有一皿Vr=?VR9 R 9 若取 R10二R9=20kQ,则 VR=-V922-f xlO-3= A.R6 1450R6二9kQ,用两个18 kQ电阻并联获得。平衡电阻 R11R11/R6/R9二4. 7 kQ。参考电压Vr可用电阻网络从-12V电

14、源电压分压获取，如图12所示。-12V15kJR.: lk20k图12RJ/R9-5VK =x 12 =/?u2 + /?7 + (/?s/?9)9若取 R8=lkQ ,则 R8/R9二0. 952 kQRw2+R7二 19. 6 kQ取 R7= 15 kQRw2用10 kO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10nF/16Vo3、元件清单表三元件清单序号编号名称规格数量1C1电容470pF12C2电容0. 01MF13C3电容10MF14LF353P集成运放LF353P25KA331频率-电压转换器KA33116R1电阻1

15、0KQ47R2电阻100KQ38R3电阻12KQ19R4电阻51KQ310R5电阻6. 8KQ211R6电阻5KQ112R7电阻2KQ113R8电阻1KQ114R9电阻30KQ115R10电阻20KQ116R11电位器2KQ117R12电位器iokQ118ICL8038函数信号发生器ICL803814、心得体会这是的电路设计让我深深体会到自己的不足。我深深的感觉到原来在书本上的东西 运用到实际上的电路的时候不是那么顺利的，我们要不断的调试计算，要保证每个部分 可以很好的配合。同时，这次课程设计让我学到了很多新的知识，让我接触到平时我们 不怎么接触到的器件，让我了解了它们的性能和作用。我也发现有些平时在学电路 和电子线路不懂的问题，在这次课程设计的过程中我也慢慢的懂得了。在这次课程设计的开始，我感觉好迷茫，因为我不知道我要干吗，我要如何去设计, 但通过几天的查阅资料和询问同学，慢慢的我懂得了如何去做。我觉得这次课程设计最 大的困难就是对F/V变换器LM331的认识和理解。因为在之前我对这个器件一点都不了 解。刚看到它的电路图时，我感觉好复杂，虽然里面有我们学过的器件，但组合起来之 后，就会比较难懂。但在我查阅资料后慢慢对这个器件的一些性能有所