利用LM331进行频率电压转换汇总

1、.ffff5.1频率/电压变换器*一、概述本课题要求熟悉集成频率一一电压变换器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）;采用土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。2种方案的性能价格比较

2、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既可用作电压一一频率转换（VFC）可用作频率一一电压转换（FVC）LM331用作FVC时的原理框如图5-1-1所示.+VCC此时,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：2/3V图5-1-2当输入负脉冲到达时，由于C6脚电平低于。7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由Vcc经Rt充电，其上电压Vet按指数规律增大。与此同时，电流开关S使恒流源I与C1脚接通，使Cl充电，Vcl按线

3、性增大(因为是恒流源对Cl充电)。经过I.IRtCt的时间，Vet增大到2/3Vcc时，则R有效(R=1,S=0),Q=0,Ct、Cl再次充电。然后，又经过I.IRtCt的时间返回至UG、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的平均充电电流为ix(I.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(I.IRtCt)XfiXRl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)。一R于是得V。=2.09Rt

4、CtfiRs可见，当Rs、Rt、Ct、Rl一定时，V。正比于fi,显然，要使V。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。对于一定的片，要使V。为一定植，可调节Rs的大小。恒流源电流I允许在10NA500NA范围内调节，故Rs可在190kQ3.8kQ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。I。=图5-1-3RxVcc -20.2mA在此，Vcc=12V所以Rx=50ka 取Rx=51 k QR,Vo=2.09LRCfiRs取Rs=14.2kQ则V0=fi><103V由此得Vo与

5、fi在几个特殊频率上的对应关系如表5-1-1所示。表5-1-1Vo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10kQ加到6JiP上的。6JiP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。函数波形发生器正弦波比较器方波F/V变换直流一反相器-0.22V反相加法器*fi=2002000Hz0.22VV0=15V图5-1-4参考电压VR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

6、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5-1-5所示。C2+1k10k10k6.2k6.2k810k28569C177ICL803872610k1470PA7411100k1032410k104223+10k10104+15k10k106.8k10k51k8570.016100kLM33120k1279k612kOP07+OP07410k4图5-1-5+V3751k6i1421.8k+10uRl34.7k3+351k1211342（2个18k并联）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以上介绍了F/V变换器，下面介绍反相

7、器和反相加法:反相器反相器的电路如图5-1-6所示。100k力U10k+VCC7621r100k1kF920k10k3+LM31110季+10-Vee100k0-VeeR4100k图5-1-6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=100kQ（见图5-1-3）,所以反相器的输入电阻应为100kQ,因而取Rl=100o反相器的Au=-1,所以R4=Rl=100kF平衡电阻R5=Rl/R4=50kQ取R5=51kQ。2：反相加法器用反相加法器是因为它便于调整一-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-

8、1-7所示。VoR10R6Vo3R10R9Vr已知 Vo3= -V 02= -fiX 10-3VVo =R-fi 10, -'vrR6R9技术要求fi=200Hz 时，Vo=1Vfi=2000Hz 时，Vo=5V250 f.5f.即 Vo =fi =(5 fi )V4509 450(2)对照式和式，可见应有5右取 R0=R9=20 k Q ,则 Vr= -V9灯10”R6fi450R6=9kQ,用两个18kQ电阻并联获得。平衡电阻R11=R11R6/R9=4.7kQ。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。-12V10kriRw215kRVRoR81kr

9、iR9LII20k图5-1-87R8/R95VRRw2R7(R8/R9)9若取R8=1kQ,则R8/R9=0.952kQRw2+R7=19.6kQ取R7=15kQRw2用10kQ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，电容值土匀为10科F/16V。2：反相加法器另一种设计方法如图5-1-9所示。设fi=200Hz时为Vo3,要求Vo1=1V,则fi=2000Hz时为10Vo3要求Vo=5VVo=.（Vo3詈Vr乎）R6R9YVo3R10+VrR10）=1（1）R6R9R10R10(Vo3-+VR-)5(2)R6R9(1)-：9Vo3

10、9;=4tV03R=4(3)ooR6R69(1)Ml0-(2)：_9VrR10=5tVrR10=5(4)R9R99R5由，若取VR=-1V,则3=2,取定一个电阻就可确定另一个。R995.即右取VR=V,则R10=R9,取7ER10、R9。9知道R10,则由(3)根据Vo3大小，可确定R6。设Vi3=-0.2V,则R0=20,R699从而付R6=R10O20四、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。V i1应为直流电平0,幅度=0.22Vcc的正弦波。V o1应为单极性的正方波，幅度Vcc。V i2应为直流电平Vcc的正负脉冲。V o2应为正直流电

11、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V o2=0.2V。否则调整Rw1。V o3=-0.2V。否则调整R4。V R应=-5/9V。否则调整Rw2。V o应=1Vo否则分别检查VR、Vo3产生的输入。V R产生的输出-应为VRO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V02、V03、VR、V。，应基本符合表5-1-2中的值。表5-1-2有关点直流电压与片的关系fi(Hz)200650110015502000Vo2(V)0.20.651.11.552.0Vo3(V