利用LM331进行频率电压转换

1、置“0”置“0”端-V0.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LM33 1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200 Hz2kHz范围内变化时，对应输出的直流电压V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:错误!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.错误!直接应用F/V变换器LM331,其输出与输入的脉冲信号重复频

2、率成正比.因为上述第种方案的性能价格比较高，故本课题用LM3 3 1实现.LM33 1的简要工作原理LM33 1的管脚排列和主要性能见附录LM3 3 1既可用作电压一一频率转换（V FC）可用作频率一一电压转换（FVC）LM3 3 1用作FVC时的原理框如图51-1所示.9/10V-输入 比较器VCC2/3Vcc定时比较器T c丄图5-1-1此时,错误!脚是输出端（恒流源输出），错误!脚为输入端（输入脉冲链），错误!脚接比较电平. 工作过程（结合看图 5-1-2所示的波形）如下:VCC2/3Vt图5-1-2VCC2/3Vt图5-1-2当输入负脉冲到达时,由于错误!脚电平低于错误!脚电平，所以S

3、 =1 （高电平），Q =0（低电平）。此时放电管T截止，于是C t由VCC经R t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与错误!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l.lRtCt的时间，VCt增大到2/3VCC时，则R有效（R=l，S=O）,Q =0, ct、Cl再次充 电。然后，又经过l.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。（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.成正比。0 1Cl的平均充电电流为1X（1.1RtCt）Xf.C：的平均放电电流为V

4、/rlLo L当 CL 充放电平均电流平衡时，得V =IX（ 1 . 1R C）Xf.XRot t 1 l式中I是恒流电流，I = 1.90V/RS 式中1. 90V是LM3 31内部的基准电压（即2脚上的电压）。R于是得V = 2.09lR C fo R t t 1S可见，当RS、Rt、Ct、Rl 一定时，V正比于f.,显然，要使V与f之间的关系保持精确、 SttLO1o1稳定，则上述元件应选用高精度、高稳定性的。对于一定的f.，要使V。为一定植，可调节RS的大小。恒流源电流I允许在10卩A5 0 0卩A 1oS范围内调节，故RS可在1 90kQ3.8 kQ范围内调节。一般R在10kQ左右取

5、用。 2.LM33 1用作FVC的典型电路LM33 1用作FVC的电路如图5-1-3所示。lo图5-1-3filo图5-1-3fi87LM331562431V - 2=CC0.2mA在此,Vcc=12V所以Rx=5 0kQ取Rx=51 kQxVR2.09 lR C fORt t iS取RS= 14.2 k Q则 V =f X10 -3Vi由此得V与f在几个特殊 频率上的对应关系如表51 1所示。o1表 5-1-1 V o 和 fi 的 关系Fi (Hz)20065 01 1 001551200 0Vo(V)0.20. 651.11.5 52 .0图5-1-3中毎是经过微分电路470pF和10

6、kQ加到6脚上的。错误!脚上要求的触发电 压是脉冲,所以图5-1-3中的f应是方波。1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。R0整机电路如5 -15所示。EE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。 错误!反相器反相器的电路如图51-6所示。因为都是直接耦合，为减小失调电压

7、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LM3 3 1的负载电阻RL=1O0kQ（见图5-1 3）,所以反相器的输入电阻应为100k Q,因而取RL=10 0。反相器的Au=-1,所以R”=R = 1 00 kQ4 L平衡电阻R =Rt/R4=50 kQ 取 R5=5 1 kQ。5 L 45错误!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 5-17所示。RRV 二一10V VoRo3R R69已知 Voo=-V 2 =3o2-fiX10-3V1RRV 二一f x 10 -3 舟 Vo R iR R69技术要求f.=

8、2 0 0 Hz 时,V =1V1 0f=2 0 00Hz 时,V =5V1o250 + f1450R5 TOC o 1-5 h z 对照式和式，可见应有-VR R 9 95若取R1O = R9=20 kQ,则 Vr=-9VR f 10 f10 f x 103 二R 14506.R =9kQ，用两个18 kQ电阻并联获得。6平衡电阻 Rii-Rii/R6/R9=4.7 kQ。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。VVR TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark26 o Current Document R /R5 HYPERLINK

9、 l bookmark28 o Current Document V 二89二 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document R R + R + (R /R )9W2 789若取 R8=1kQ,则R R9= 0.952kQ889Rw2R7=196 kQw2 7取 R = 15 kQ7Rw2用10 kQ电位器。图5-1-5中的C2、C、C、C5均为滤波电容，以防止自激和输出直流电压上产生毛刺, TOC o 1-5 h z 2345电容值均为10uF / 16V。oac (o,2)反相加法器另一种设计方法如图5-1-9所示。V V o设 f.= 2 00Hz

10、时为 V 3，要求 V1 V,则 f=2 0 0 0Hz 时为 10V 要求 V =5Vio3o1io3oRR HYPERLINK l bookmark34 o Current Document V =（V玲 + V舟）o o3 R R R69RR一 （V + V） = 1o3 RR R69*(2 )(1) -(2 )：*(2 )(1) -(2 )：9V。3 R。3 R-9 “(3)(1) x 10(2)：;9R R5 - 9-9RRRRR(V 10 + V10) 5*o3 RR R69R5由，若取VR=1V，则 h 二，取定一个电阻就可确定另一个。 TOC o 1-5 h z HYPERLI

11、NK l bookmark56 o Current Document RR 99即若取Vr =-5v，则 R1O=R9,取定R、R9o知道R ，则由根据V 大小，可确定R6o1 00 3620V，R20V，设V 3= -0. 2V，则才i3R6从而得R从而得R6=R20 io四、测量和调整观察图51-5中有关点的波形。可在200Hz2 kHz内的任一频率上观察。Vi1应为直流电平0,幅度0.2 2VCc的正弦波。vo1应为单极性的正方波，幅度vccoVi2应为直流电平vcc的正负脉冲。V：2应为正直流电压，vo3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

12、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2 0 0Hz。此时v 2=0.2V。否则调整R oo2w 1V = 0.2V。否则调整R4oo34VR应=-5/9 V。否则调整Rw2oV应=1V 否则分别检查VR、V 3产生的输入。Vr产生的输出一应为VRo否则调整R9oVo3产生的输出应为-4/9V，否则调整R6o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V2、V3、VR、V。，应基本符合表5 12中的值。表5-1-2 有关点直流电压 与f；的关系fi (Hz)2006 501100i115 5 02000Vo2(V)0 .20.6 51 .11.552 .