頻率電壓變換器(吳佳樂嚴(yán)旭東李立)

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1、組號(hào)：16A姓名：吳佳樂嚴(yán)旭東李立頻率/電壓變換器1.要求當(dāng)正弦波信號(hào)的頻率fi在200Hz～2kHz范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出的直流電壓V0在1V～5V范圍內(nèi)線性變化。2.方案選擇可供選擇的方案有兩種：（1）用通用型運(yùn)算放大器構(gòu)成微分器，其輸出與輸入的正弦信號(hào)頻率成正比。（2）直接應(yīng)用頻率電壓變換專用集成塊LM331，其輸出與輸入的脈沖信號(hào)重復(fù)頻率成正比。因第2種方案的性價(jià)比較高，故本題用LM331實(shí)現(xiàn)。3.LM331的工作原理LM331的引腳排列和主要性能見附錄。LM331即可用作電壓/頻率轉(zhuǎn)換，也可用作頻率/電壓轉(zhuǎn)換。LM331的原理框圖如圖5-2-1所示。此時(shí)，①

2、腳是輸出端（恒流源輸出），⑥腳為輸入端（輸入脈沖鏈），⑦腳接比較電平。圖5-2-1LM331原理框圖該器件的工作過(guò)程（結(jié)合圖5-2-1所示的波形）如圖5-2-2所示。當(dāng)輸入負(fù)脈沖未達(dá)到時(shí)，由于⑥腳電平≈Vcc，高于⑦腳電平，所以S=0（低電平）。當(dāng)輸入負(fù)脈沖到達(dá)時(shí)，由于⑥腳電平低于⑦腳電平，所以S=1（高電平），Q’=0(低電平)。此時(shí)放電管T截止，于是Ct有Vcc經(jīng)Rt充電，其上電壓VCt按指數(shù)規(guī)律增大。與此同時(shí)，電流開關(guān)S使恒流源I與①腳接通，使CL充電，VCL按線性增大（因?yàn)槭呛懔髟磳?duì)CL充電）。經(jīng)過(guò)1.1RtCt的時(shí)間，VCt增大到2/3Vcc時(shí)，則R有效（R

3、=1，S=0），Q’=1，于是T導(dǎo)通，Ct通過(guò)T迅速放電。與此同時(shí)，開關(guān)使恒流源I接地，從而CL通過(guò)RL放電，VCL減小。當(dāng)下一個(gè)輸入負(fù)脈沖到達(dá)時(shí)，又使S=1，Q’=0，Ct、CL再次充電。然后，又經(jīng)過(guò)1.1RtCt的時(shí)間返回到Ct、CL放電。圖5-2-2LM331工作波形以后就重復(fù)上面的過(guò)程，于是在RL上得到一個(gè)直流電壓VO（這與電源的整流濾波原理類似），并且VO與輸入脈沖的重復(fù)頻率fi成正比。CL的平均充電電流為I×（1.1RtCt）×fi，平均放電電流為VO/RL,當(dāng)CL充放電平均電流平衡時(shí)，有VO=I×（1.1RtCt）×fi×RL式中I是恒流源電源其中1.9

4、0V是LM331內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓（即②腳上的電壓）。于是得可見，當(dāng)RS、Rt、Ct、RL一定時(shí)，VO正比于fi，顯然，要使VO與fi之間的關(guān)系保持精確、穩(wěn)定，則應(yīng)選用高精度、高穩(wěn)定性的元件。對(duì)于某一fi，要使VO為其對(duì)應(yīng)值，可調(diào)節(jié)RS的大小。恒流源電流I允許在10μA～500μA范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故RS可在190kΩ～3.8kΩ范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。一般RS在10kΩ左右取用。4.LM331用作頻率/電壓變換的典型電路LM331用作FVC的電路如圖5-2-3所示。圖中在此，=12V。所以=50kΩ。取=51Kω,則取=14.2kΩ，則×V。由此得與在幾個(gè)特殊頻率上的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖表5-2

5、-1所示。圖5-2-3LM331用作頻率電壓變換的典型電路表5-2-1Vo和fi的關(guān)系fi/Hz200650110015502000Vo/V0.20.651.11.552圖5-2-3中是經(jīng)過(guò)微分電路470pF和10kΩ加到⑥腳上的。⑥腳上要求的觸發(fā)電壓時(shí)脈沖，所以圖5-2-3中的應(yīng)是脈沖波。5.系統(tǒng)框圖頻率/電壓變換器的框圖如圖5-2-4所示。圖5-2-4系統(tǒng)框圖函數(shù)波形發(fā)生器輸出的正弦波經(jīng)比較器變換成方波。方波經(jīng)頻率變換成直流電壓。直流正電壓經(jīng)反相器變成負(fù)電壓，再與參考電壓通過(guò)反相加法器得到符合技術(shù)要求的。6.反相器和反相加法器的設(shè)計(jì)函數(shù)波形發(fā)生器和比較器電路的設(shè)計(jì)

6、分別見5.1節(jié)和有關(guān)實(shí)驗(yàn)，在此僅討論反相器和反相加法器的設(shè)計(jì)。（1）反相器反相器的電路如圖5-2-5所示。由于都是直接耦合，為減小失調(diào)電壓對(duì)輸出電壓的影響，運(yùn)算放大器采用低失調(diào)運(yùn)放OP07.由于LM331的負(fù)載電阻=100kΩ（見圖5-2-3），所以反相器的輸入電阻為100kΩ，因而取=100kΩ。反相器的=-1，所以。平衡電阻50kΩ,取=51kΩ。（2）反相加法器用反相加法器是因?yàn)樗阌谡{(diào)整——可以獨(dú)立調(diào)節(jié)兩個(gè)信號(hào)源的輸出電壓而不會(huì)相互影響，電路如圖5-2-6所示。圖5-2-6反相加法器電路圖5-2-5反相器電路已知所以(5-2-1)根據(jù)技術(shù)要求：=200Hz時(shí)，

7、=1V；=2000Hz時(shí)，=5V，即(5-2-2)對(duì)照式（5-2-1）和式（5-2-2），可得若取==20kΩ，則=。而故=9kΩ，用兩個(gè)18kΩ電阻并聯(lián)獲得。平衡電阻≈∥∥=4.7kΩ。參考電壓可用電阻網(wǎng)絡(luò)從-12V電源分壓獲取，如圖5-2-7所示，其中的就是圖5-2-6中的電阻。圖5-2-7參考電壓VR的獲取圖5-2-8反相加法器另一種設(shè)計(jì)電路若取=1kΩ，則=0.952kΩ，有取=15kΩ，用10kΩ電位器。反相加法器的另一種設(shè)計(jì)方法如圖5-2-8所示。設(shè)=200Hz時(shí)反相器輸出為，要求=1V，則=200Hz時(shí)反相器輸出為10，要求=5V。因故