频率/电压变换器

[post]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fi在200Hz~2kHz范围内变化时,对应输出的直流电压Vi在1~5V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:
○1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.
○2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――频率转换（VFC）
可用作频率――电压转换（FVC）
LM331用作FVC时的原理框如图5-1-1所示.

此时,○1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:
                    
     当输入负脉冲到达时,由于○6脚电平低于○7脚电平,所以S=1(高电平)， =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VCt按指数规律增大。与此同时，电流开关S使恒流源I与○1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1.1RtCt的时间，VCt增大到2/3VCC时，则R有效（R=1，S=0），  =0，Ct、CL再次充电。然后，又经过1.1RtCt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Vo（这与电源的整流滤波原理类似），并且Vo与输入脉冲的重复频率fi成正比。
CL的平均充电电流为i×（1.1RtCt）×fi
CL的平均放电电流为Vo/RL
当CL充放电平均电流平衡时，得
Vo=I×（1.1RtCt）×fi×RL
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）。
于是得
可见，当RS、Rt、Ct、RL一定时，Vo正比于fi，显然，要使Vo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fi，要使Vo为一定植，可调节RS的大小。恒流源电流I允许在10 A~500 A范围内调节，故RS可在190kΩ~3.8 kΩ范围内调节。一般RS在10kΩ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。
                     

在此，VCC=12V
所以          Rx=50kΩ取     Rx=51 kΩ

取          RS=14.2 kΩ
则 Vo=fi×10 –3V
由此得Vo与fi在几个特殊 频率上的对应关系如表5-1-1所示。
                          表5-1-1   Vo和fi的 关系
           
Fi(Hz)    200    650    1100    1551    2000
Vo(V)    0.2    0.65    1.1    1.55    2.0

图5-1-3中fi是经过微分电路470pF和10 kΩ加到○6脚上的。○6脚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Vo。
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。
○1反相器
反相器的电路如图5-1-6所示。
                     

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=100kΩ（见图5-1-3），所以反相器的输入电阻应为100 kΩ，因而取RL=100。
反相器的Au=-1，所以
R4=RL=100 kΩ
平衡电阻R5=RL//R4=50 kΩ 取 R5=51 kΩ。
○2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。
                       

已知Vo3= -Vo2= -fi×10-3V
∵
技术要求
fi=200Hz时，Vo=1V
fi=2000Hz时，Vo=5V
即                             （2）
对照⑴式和⑵式，可见应有     
若取R10=R9=20 kΩ，则VR= - V

∴R6=9kΩ，用两个18 kΩ电阻并联获得。
平衡电阻R11≈R11//R6//R9=4.7 kΩ。
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。
                 

若取 R8=1kΩ，则R8//R9=0.952 kΩ
Rw2+R7=19.6 kΩ
取 R7= 15 kΩ
Rw2用10 kΩ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，电容值均为10μF/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=5V

1                    （1）
5                    （2）
（1）-（2）：             （3）
（1） 10-（2）：         （4）
由⑷，若取VR= -1V，则 ，取定一个电阻就可确定另一个。
即    若取 ，则R10=R9，取定R10、R9。
知道R10，则由⑶根据Vo3大小，可确定R6。
设Vi3= -0.2V，则 ，
从而得 。

四、测量和调整
观察图5-1-5中有关点的波形。
可在200Hz~2kHz内的任一频率上观察。
Vi1应为直流电平≈0，幅度≈0.22VCC的正弦波。
Vo1应为单极性的正方波，幅度≈VCC。
Vi2应为直流电平≈VCC的正负脉冲。
Vo2应为正直流电压，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
Vo2=0.2V。否则调整Rw1。
Vo3= -0.2V。否则调整R4。
VR应= -5/9V。否则调整Rw2。
Vo应=1V。否则分别检查VR、Vo3产生的输入。
VR产生的输出-应为VR。否则调整R9。
Vo3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Vo2、Vo3、VR、Vo，应基本符合表5-1-2中的值。
表5-1-2  有关点直流电压 与fi的关系
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、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。
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