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1、5.1 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f.在200Hz2kHz范围内变化时，对应输出的直流i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.因为上述第种方案的性能价格比较高故本
2、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.+V此时,脚是输出端（恒流源输出）,脚为输入端（输入脉冲链）,脚接Rt比较电平.工作过程（结合看图 5-1-2所示的波形）如下:当输入负脉冲到达时，由于脚电平低于脚电平，所以s=l（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VC按指数规律增大。与此同时，电流开关S使恒流源CtI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
3、1.1RC的时间，V增大到2/3V 时，则R有效（R=l, S=0）,t tCtCCQ =0, C、C再次充电。然后，又经过1.1RC的时间返回到C、Qt Lt ttCL 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Lo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。 oiC的平均充电电流为1X（1.1RC ） XfLt t.C的平均放电电流为V/RLoL当 CL 充放电平均电流平衡时,得1/V=IX（1.1RC）XfXRo t t . L式中I是恒流电流,I=1.90V/RSS式中1.90V是LM331内部的基准电压（即2脚上的电压）。于是得V = 2
4、.09 RR C foR t t .S可见，当Rs、R、C、Rl 一定时，V正比于f.,显然，要使V与f. S t t Lo .o .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.,要使V为一定植，可调节RS的大小。恒流源电流I . oS允许在10“ A500u A范围内调节，故R可在190kQ 3.8 kQ范围内HHS调节。一般Rs在10kQ左右取用。S2. LM331用作FVC的典型电路LM331用作FVC的电路如图5-1-3所示。lof图 5 - 1 - 3V - 2R = ccx 0.2mA在此，VCC=12V所以R=50kQ 取R=51 kQxxV = 2
5、.09 RR C foR t t . S取R =14.2 kQS则V=f X 10 -V o.由此得V与f.在几个特殊频率上的对应关系如表5-1-1所示。oiVo 和 f. 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 kQ加至临脚上的。6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。i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
6、，再与参考电压 Vr通过反相加法器得到符合技术要求的V。Ro整机电路如5-1-5所示。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。反相器反相器的电路如图5-1-6所示。o1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RT=100kQ （见图5-1-3）,所以反相器的输 入电阻应为100 kQ，因而取R =100oL反相器的A=-1,所以UR =R =100 kQ4L平衡电阻R=R/R=50 kQ 取 R=51 kQ。5 L 452
7、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。RRV =-好 V Vo R o3 R R69已知 v = -V = -f X10-3Vo3 o2 iRR V = f x 10 - 3 册 Vo R i R R69技术要求f=200Hz 时，V=1Viof=2000Hz 时，V=5Vio250 + fi4505f=(+ L)V94502）对照（1式和（2式，可见应有R510 V = VR R 9 9若取 R1O=R9=20 kQ，则 VR= -|VRf10 f x 10 -3 = iR i4506R6=9kQ，用两个18 kQ电
8、阻并联获得。6平衡电阻 R R RR=4.7 kQ。111169参考电压 V可用电阻网络从-12V电源电压分压获取，如图5-1-8所R示。10k15kR81k 12VRW2R920k图 5-1-8R / R 5V = 89=R R + R + (R/R)9W 2789若取 R =lkQ，则 R /R =0.952 kQ889R +R =l9.6 kQw2 7取 R = l5 kQ7R 2用10 kQ电位器。w2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2345电压上产生毛刺，电容值均为10p F/16V。2反相加法器另一种设计方法如图5-1-9所示。设f=200H
9、z时为V，要求V =1V,贝U f=2000Hz时为10V 要求io3o1io3V =5VoV = (VOR好)R9R(V -o3 R6奸)=1R91)R(V 10 + Vo3 RR1O)= 52)1)-(2)：9VR10R63)1)x 10- (2)：R10由，R9V 好=5 t VR RRR994)若取v= -1V,则RR10R9=5，取定一个电阻就可确定另一个。9若取V 一5V，则 R10=R9，取定R10、R9。R 9109109知道R10,则由(3根据V3大小，可确定R6。10o36设 V = -0.2V，贝U Ri320 ，,9从而得R = 2r。6 20 10四、测量和调整观察图
10、 5-1-5中有关点的波形。可在200Hz2kHz内的任一频率上观察。Vii应为直流电平0,幅度0.22VCC的正弦波。V 1应为单极性的正方波，幅度5”。1 CCV2应为直流电平VCC的正负脉冲。V 2应为正直流电压，V 3应为负直流电压，VO应为正直流电压。2 3O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f.调到200Hz。此时iV =0.2V。否则调整R。o2w1V = -0.2V。否则调整R。o3 4V应=-5/9V。否则调整R。Rw2V应=1V。否则分别检查V、V。产生的输入。oR o3Vr产生
11、的输出-应为VR。否则调整R9。R9V产生的输出应为-4/9V，否则调整R。o3 6 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VV 、Vj V，应基本符合o2 o3 R o表 5-1-2 中的值。表5-1-2有关点直流电压与f.的关.系f （Hz）i200650110015502000V （V）o20.20.651.11.552.0V （V）o3-0.2-0.65-1.1-1.55-2.0V （V）R-5/9-5/9-5/9-5/9-5/9V（V）o1.02.03.04.05.0五、实验报告内容画出观察到的有关点的信号波形根据表 5-1-2中给定的频率点自行列表，填入个频率点上直流电压的理论值和实际测量值。对测量值与计算值误差较大的项进行分析。写出实验中曾出现过的故障现象、原因分析及解决方法。
