[post]5.1 頻率/電壓變換器*
一、概述
本課題要求熟悉集成頻率——電壓變換器LM331的主要性能和一種應用；
熟練掌握運算放大器基本電路的原理，并掌握它們的設計、測量和調整方法。
二、技術要求
當正弦波信號的頻率fi在200Hz~2kHz范圍內變化時,對應輸出的直流電壓Vi在1~5V范圍內線形變化;
正弦波信號源采用函數波形發(fā)生器的輸出(見課題二圖5-2-3);
采用±12V電源供電.
三、設計過程
1．方案選擇
可供選擇的方案有兩種,它們是:
○1用通用型運算放大器構成微分器,其輸出與輸入的正弦信號頻率成正比.
○2直接應用F/V變換器LM331,其輸出與輸入的脈沖信號重復頻率成正比.
因為上述第○2種方案的性能價格比較高,故本課題用LM331實現.
LM331的簡要工作原理
LM331的管腳排列和主要性能見附錄
LM331既可用作電壓――頻率轉換（VFC）
可用作頻率――電壓轉換（FVC）
LM331用作FVC時的原理框如圖5-1-1所示.
此時,○1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.
工作過程(結合看圖5-1-2所示的波形)如下:
當輸入負脈沖到達時,由于○6腳電平低于○7腳電平,所以S=1(高電平)， =0（低電平）。此時放電管T截止，于是Ct由VCC經Rt充電，其上電壓VCt按指數規(guī)律增大。與此同時，電流開關S使恒流源I與○1腳接通，使CL充電，VCL按線性增大（因為是恒流源對CL充電）。
經過1.1RtCt的時間，VCt增大到2/3VCC時，則R有效（R=1，S=0）， =0，Ct、CL再次充電。然后，又經過1.1RtCt的時間返回到Ct、CL放電。
以后就重復上面的過程，于是在RL上就得到一個直流電壓Vo（這與電源的整流濾波原理類似），并且Vo與輸入脈沖的重復頻率fi成正比。
CL的平均充電電流為i×（1.1RtCt）×fi
CL的平均放電電流為Vo/RL
當CL充放電平均電流平衡時，得
Vo=I×（1.1RtCt）×fi×RL
式中I是恒流電流，I=1.90V/RS
式中1.90V是LM331內部的基準電壓（即2腳上的電壓）。
于是得
可見，當RS、Rt、Ct、RL一定時，Vo正比于fi，顯然，要使Vo與fi之間的關系保持精確、穩(wěn)定，則上述元件應選用高精度、高穩(wěn)定性的。
對于一定的fi，要使Vo為一定植，可調節(jié)RS的大小。恒流源電流I允許在10 A~500 A范圍內調節(jié)，故RS可在190kΩ~3.8 kΩ范圍內調節(jié)。一般RS在10kΩ左右取用。
2．LM331用作FVC的典型電路
LM331用作FVC的電路如圖5-1-3所示。
在此，VCC=12V
所以 Rx=50kΩ取 Rx=51 kΩ
取 RS=14.2 kΩ
則 Vo=fi×10 –3V
由此得Vo與fi在幾個特殊 頻率上的對應關系如表5-1-1所示。
表5-1-1 Vo和fi的 關系
Fi(Hz) 200 650 1100 1551 2000
Vo(V) 0.2 0.65 1.1 1.55 2.0
圖5-1-3中fi是經過微分電路470pF和10 kΩ加到○6腳上的。○6腳上要求的觸發(fā)電壓是脈沖，所以圖5-1-3中的fi應是方波。
整機方框圖和整機電路圖
整機方框圖如圖5-1-4所示。
函數波形發(fā)生器輸出的正弦波比較器變換成方波。方波經F/V變換器變換成直流電壓。直流正電壓經反相器變成負電壓，再與參考電壓VR通過反相加法器得到符合技術要求的Vo。
整機電路如5-1-5所示。
反相器和反相加法器的設計計算
函數波形發(fā)生器，比較器電路的設計計算分別見課題二 和有關實驗。
以上介紹了F/V變換器，下面介紹反相器和反相加法器。
○1反相器
反相器的電路如圖5-1-6所示。
因為都是直接耦合，為減小失調電壓對輸出電壓的影響，所以運算放大器采用低失調運放OP07。
由于LM331的負載電阻RL=100kΩ（見圖5-1-3），所以反相器的輸入電阻應為100 kΩ，因而取RL=100。
反相器的Au=-1，所以
R4=RL=100 kΩ
平衡電阻R5=RL//R4=50 kΩ 取 R5=51 kΩ。
○2反相加法器
用反相加法器是因為它便于調整—--可以獨立調節(jié)兩個信號源的輸出電壓而不會相互影響，電路如圖5-1-7所示。
已知Vo3= -Vo2= -fi×10-3V
∵
技術要求
fi=200Hz時，Vo=1V
fi=2000Hz時，Vo=5V
即 （2）
對照⑴式和⑵式，可見應有
若取R10=R9=20 kΩ，則VR= - V
∴R6=9kΩ，用兩個18 kΩ電阻并聯獲得。
平衡電阻R11≈R11//R6//R9=4.7 kΩ。
參考電壓VR可用電阻網絡從-12V電源電壓分壓獲取，如圖5-1-8所示。
若取 R8=1kΩ，則R8//R9=0.952 kΩ
Rw2+R7=19.6 kΩ
取 R7= 15 kΩ
Rw2用10 kΩ電位器。
圖5-1-5中的 C2、C3、C4、C5均為濾波電容，以防止自激和輸出直流電壓上產生毛刺，電容值均為10μF/16V。
○2反相加法器另一種設計方法如圖5-1-9所示。
設fi=200Hz時為Vo3，要求Vo1=1V，則fi=2000Hz時為10Vo3要求Vo=5V
1 （1）
5 （2）
（1）-（2）： （3）
（1） 10-（2）： （4）
由⑷，若取VR= -1V，則 ，取定一個電阻就可確定另一個。
即 若取 ，則R10=R9，取定R10、R9。
知道R10，則由⑶根據Vo3大小，可確定R6。
設Vi3= -0.2V，則 ，
從而得 。
四、測量和調整
觀察圖5-1-5中有關點的波形。
可在200Hz~2kHz內的任一頻率上觀察。
Vi1應為直流電平≈0，幅度≈0.22VCC的正弦波。
Vo1應為單極性的正方波，幅度≈VCC。
Vi2應為直流電平≈VCC的正負脈沖。
Vo2應為正直流電壓，Vo3應為負直流電壓，VO應為正直流電壓。
測量圖5-1-5中有關點的直流電壓
首先要保證頻率計，電壓表完好，即保證測得的頻率、電壓數值正確。
將函數波形發(fā)生器的輸出信號頻率fi調到200Hz。此時
Vo2=0.2V。否則調整Rw1。
Vo3= -0.2V。否則調整R4。
VR應= -5/9V。否則調整Rw2。
Vo應=1V。否則分別檢查VR、Vo3產生的輸入。
VR產生的輸出-應為VR。否則調整R9。
Vo3產生的輸出應為-4/9V，否則調整R6。
固定電阻的調整可用一個接近要求值的電阻和一個小阻值的電阻串聯來實現。
根據5-1-2中的頻率點，測出對應的Vo2、Vo3、VR、Vo，應基本符合表5-1-2中的值。
表5-1-2 有關點直流電壓 與fi的關系
fi（Hz） 200 650 1100 1550 2000
Vo2（V） 0.2 0.65 1.1 1.55 2.0
Vo3（V） -0.2 -0.65 -1.1 -1.55 -2.0
VR（V） -5/9 -5/9- -5/9 -5/9 -5/9
Vo（V） 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
五、實驗報告內容
畫出觀察到的有關點的信號波形；
根據表5-1-2中給定的頻率點自行列表，填入個頻率點上直流電壓的理論值和實際測量值。對測量值與計算值誤差較大的項進行分析。
寫出實驗中曾出現過的故障現象、原因分析及解決方法。
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滬公網安備31010802001143號
