频率电压变换器

频率/电压变换器

题目： 频率/电压变换器

专业: 自动化

班级： 080301

姓名： 扈宇航

辛云霞 孟祥敏 周大伟 指导教师：蒲春华

2010.6.25—7.1

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课程设计报告

（一）选定设计方案，画出电路图。本组本次设计共有两个供选方案。

（1） 用通用型运算放大器构成微分器，其输出与输入的正弦波与频率成正比。 （2） 直接应用频率电压转换变换专用集成块LM331其输出与输入的脉冲信号

重复成正比。

因为方案二的性价比更高，所以选择第二种方案。 （3） 系统构成的主要流程图。 函 数 波 正弦波 反 反 相 加 F/V比 形发生直流 Vo3 1v~5v 法器 较方波 转相 器 fi=200Hz Vo1 Vo2 -0.2v 器 换 器 ~ 2000Hz 0.2v~2v ~-2v

（二）拟出设计，调试步骤，画出电路。分析并计算主要参数值。 1、设计

（1）本次设计函数发生器采用实验台的函数波形发生器。确定可调范围设在200Hz----2000Hz,在调试过程中，挑选中间的几个值进行测试。

（2）F/V变换采用集成块LM331构成的典型电路。通过参考书和报告上的指导书确定相关参数，测定输出的电压范围在0.4-4V。 （3）反相器采用比例为-1，通过集成芯片OP07实现。

(4）反相加法器同样用芯片OP07实现，通过调节VR的大小。使输出的电压在1-5V。

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2、调试步骤

（1）当正弦波输入比较器之后输出的应该是方波。其幅值和形状在误差范围内。 （2）当方波输入F/V变换采用集成块后输出的为直流电压，根据公式，看频率与电压成正比。

（3）当直流进入反相器后，输入与输出的比值为-1。 （4）当负电压进入反相加法器后输出的电压值在1-5V。 （5）整体调试后，当频率改变，最后的电压值相应的改变。

3、画出整机原理图

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整机原理图

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4、分析并计算主要元件参数值

(1) F/V转换部分：（ⅰ）LM331的内部原理图

+VCC9/10VCC7-输入比较器置“1”端sQ+s1+CLVCCRtRL-V0fi62/3VCC定时比较器5CtR+Q置“0”端T图5-1-1①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.

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工作过程及工作波形如图所示：

VCC1/fi3.5vp-p0ts10tvct2/3VCC01.1RtCtt0tvCLV00t图5-1-2

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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)，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），Q =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：

Vo2.09RLRtCtfi RS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。

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（ⅱ）LM331用作FVC的典型电路 LM331用作FVC的电路如图5-1-3所示：

+VCC10K10K87LM3315Rt6.8KRX0.01fi470p2412K{RS22K3110+100K6lo图5-1-3RxVCC2

0.2mA

在此，VCC=12V

所以 Rx=50kΩ 取 Rx=51 kΩ

Vo2.09RLRtCtfi RS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下表所示。

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表5-1-1 Vo和fi的关系

Fi(Hz) Vo(V) 200 0.2 600 0.6 1000 1.0 1500 1.5 2000 2.0 6脚上的。○6脚上要求的触发电压是图中fi是经过微分电路470pF和10 kΩ加到○脉冲方波。

（2）反相器

反相器的电路如图5-1-6所示。

+VCCR551kRL2VCC100k-VEER4100k-3+Vi17OP0746Vo1图5-1-6

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 kΩ。 反相器的Au=-1，所以 R4=RL=100 kΩ

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平衡电阻R5=RL//R4=50 kΩ 取 R5=51 kΩ。

（3）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：

+VCCR11376VROP07o6Vo324-VEER9R10VR图5-1-7

VoR10RVR10o3RVR （1） 69已知Vo3= -Vo2= -fi×10-3V ∵VoR10Rf103R10iVR 6R9技术要求

fi=200Hz时，Vo=1V fi=2000Hz时，Vo=5V

即 Vo=（5／9+fi/450）V

（2）对照⑴式和⑵式，可见应有 －(R10/R9)×Vr=5/9 若取R10=R9=20 kΩ，则 Vr= -5/9V

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R10Rf103fii 6450∴R6=9kΩ，用两个18 kΩ电阻并联获得。 平衡电阻R11≈R11//R6//R9=4.7 kΩ。 为了保证Vr的值直接从-12v引入,

VR=(R8//R9)/[Rw2+R7+(R8//R9)]=5/9

若取R8=1 kΩ, 则R8//R9=0.952 kΩ Rw2+R7=19.6 kΩ 取R7=15 kΩ

Rw2用10 kΩ电位器。

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整机原理图中的C2、C3、C4、C5均为滤波器电容，以防止自激和输出直流电压上产生毛刺，电用电位器。容值均为10uF/16V

(三)测量与调整

观察整机原理图有关点的波形。

可在200Hz~2000Hz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应为负直流电压吗，Vo应为正直流电压。 测量整机原理图中有关节点的直流电压

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入信号频率fi调到200Hz。此时 Vo2=0.2V。否则调整Rw5。 Vo3=-0.2V。否则调整R15 VR=-5/9V。否则调整Rw6

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R20。 Vo3产生的输出应为-4/9V，否则调整R18、R19。

固定电阻的调整可用一个接近要求值的电阻和一个小电阻的电阻串联来实现。 根据5-1-2中的频率点，测出对应的Vo2、Vo3、VR、Vo，应基本符合下表的值。

表5-1-2 有关点直流电压与fi的关系

fi(Hz) Vo2(V) Vo3(V) VR(V) Vo(V)

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200 0.2 -0.2 -5/9 1.0 650 0.65 -0.65 -5/9 2.0 1100 1.1 -1.1 -5/9 3.0 1550 1.55 -1.55 -5/9 4.0 2000 2.0 -2.0 -5/9 5.0

(四)设计总结与思考

1、本次设计由于比较器处于承接位置，只有比较器输出合适的方波才能为频率电压转换器提供合适的脉冲电压，当由函数发生器的电压设为NV时，脉冲电压必须按NV的电压范围确定LM331的选值电压范围；采用滞回比较器用稳压管控制输出电压；调出合适的方波为一个难点，本次设计采用近似的2.4V作为峰值的Ut。

2、由于本次设计为了防止整个电路产生自激和输出电流上产生毛刺，采用了滤波电容，但是设计还存在很大的误差范围。所以在Vr相对调试过程中设置了滑动变阻器。

3、如果LM331输出偏大可调节Rs的大小，恒流源电流工作允许在10uA~500uA范围内存在。

所以有公式Vo=207(Rl/Rs)RtCtf;Rs可在190K~3.8K范围调节。

（五）附录

本设计所用的集成芯片：ICL8038、uA741、LM311、 LM331、OP07

ⅰ、精密函数信号发生器ICL8038

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ⅱ、集成运放uA741

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ⅲ、电压比较器LM311

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ⅳ、频率电压变换器LM331

内部原理图：

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ⅴ、集成运算放大器OP07

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