頻率電壓變換器

1、.5.2 頻率/電壓變換器本課題介紹一種頻率/電壓變換器的設(shè)計(jì)方法，通過本課題要求熟悉集成頻率集成頻率/電壓變換器LM331的主要性能和典型應(yīng)用，掌握運(yùn)算放大器基本電路的原理，并掌握它們的設(shè)計(jì)、測(cè)量和調(diào)整方法。一、設(shè)計(jì)要求1.技術(shù)要求（1）當(dāng)正弦波信號(hào)的頻率fi在200Hz2kHz范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出的直流電壓V0在1V5V范圍內(nèi)線性變化。（2）正弦波信號(hào)源采用函數(shù)波形發(fā)生器（參見5.1節(jié)）。（3）采用±12V電源供電。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

2、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)，腳是輸出端（恒流源輸出），腳為輸入端（輸入脈沖鏈），腳接比較電平。圖5-2-1 LM331原理框圖該器件的工作過程（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)，由于腳電平Vcc，高于腳電平，所以S=0（低電平）。當(dāng)輸入負(fù)脈沖到達(dá)時(shí)，由于腳電平低于腳電平，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)

3、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1.1RtCt的時(shí)間，VCt增大到2/3Vcc時(shí)，則R有效（R=1，S=0），Q=1，于是T導(dǎo)通，Ct通過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1.1RtCt的時(shí)間返回到Ct、CL放電。圖5-2-2 LM331工作波形以后就重復(fù)上面的過程，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。

4、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I=1.90V/RS其中1.90V是LM331內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓（即腳上的電壓）。于是得 VO=2.09RLRSRtCtfi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10µA500µA范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故RS可在19

5、0k3.8k范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。一般RS在10k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RX=VCC-2V0.2mA在此，VCC =12V。所以RX=50k。取RX=51K,則VO=2.09RLRSRtCtfi取RS=14.2k，則VO=fi×10-3V。由此得VO與fi在幾個(gè)特殊頻率上的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖表5-2-1所示。圖5-2-3 LM331用作頻率電壓變換的典型電路RS表5-2-1 Vo和fi的關(guān)系fi/Hz200650110015502000Vo/V0.20.651.11.552圖5-2-3中fi是經(jīng)過微分電路470pF和10

6、k加到腳上的。腳上要求的觸發(fā)電壓時(shí)脈沖，所以圖5-2-3中的fi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VR通過反相加法器得到符合技術(shù)要求的VO。 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)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RL

7、=100k（見圖5-2-3），所以反相器的輸入電阻為100 k，因而取RL=100 k。反相器的Av=-1，所以RI=RL=100k。平衡電阻R2=RLRI=50 k,取R2=51 k。（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VO=-R3R1VO3-R3R2VR已知 VO3=-VO2=-fi×10-3V 所以 VO=R3R1fi×10-3-R3R2VR (5-2-1)根據(jù)技術(shù)要求：fi=200Hz時(shí)，VO=1V；fi=2000Hz時(shí)，VO=5V

8、，即VO=250+fi450=（59+fi450）V (5-2-2)對(duì)照式（5-2-1）和式（5-2-2），可得-R3R2VR=59V若取R2=R3=20k，則VR=-59V。而R3R1fi×10-3=fi450故R1=9k，用兩個(gè)18k電阻并聯(lián)獲得。平衡電阻R4R1R2R3=4.7k。參考電壓VR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R2就是圖5-2-6中的電阻R2。圖5-2-8 反相加法器另一種設(shè)計(jì)電路圖5-2-7 參考電壓VR的獲取VR=R3R2RW+R1+(R3R2）VEE=-59V若取R3=1k，則R3R2=0.952k，有RW+R1=19.6k取R

9、1=15k，RW用10k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)fi=200Hz時(shí)反相器輸出為VO3*，要求VO=1V，則fi=200Hz時(shí)反相器輸出為10VO3*，要求VO=5V。因VO=-(VO3R3R1+VRR3R2)故 -VO3*R3R1+VRR3R2=1 (5-2-3) -10VO3*R3R1+VRR3R2=5 (5-2-4)式（5-2-3）與式（5-2-4）相減，得 9VO3*R3R1=-4 VO3*R3R1=-49 (5-2-5)將式（5-2-3）乘10再與式（5-2-4）相減，得 -9VRR3R2=5 VRR3R2=-59 (5-2-6)由上式，若取VR=-1V

10、，則R3R2=59，取定一個(gè)電阻就可確定另一個(gè)。若取VR=-59V，則R3=R2。求出R3后，則由公式（5-2-5）并根據(jù)VO3*大小可確定R1。設(shè)VO3*=-0.2V，則R3R1=209，從而得R1=920R3。該頻率/電壓變換器的整機(jī)電路如圖5-2-9所示。圖中的C2、C3、C4、C5均為濾波電容，以防止自激和輸出直流電壓上產(chǎn)生毛刺，電容值均為10µF/16V。二、設(shè)計(jì)任務(wù)試設(shè)計(jì)一個(gè)頻率/電壓變換器，要求：（1）當(dāng)正弦波信號(hào)的頻率fi在400Hz4kHz范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出的直流電壓VO在2V10V范圍內(nèi)線性變化。（2）正弦波信號(hào)源采用函數(shù)波形發(fā)生器。（3）采用±12V電源供電。三、設(shè)計(jì)報(bào)告要求 1.列出已知條件，技術(shù)指標(biāo)。2.分析電路原理。3.寫出設(shè)計(jì)步驟：（1）電路形式選擇。（2）電路設(shè)計(jì)，對(duì)所選電路中的各元件值進(jìn)行計(jì)算式估算，并標(biāo)于圖中。4.測(cè)試與調(diào)整：（1）按技術(shù)要求測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)不滿足技術(shù)指標(biāo)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并整理列出表格，在方格紙上繪出波形。（2）故障分析幾說明。5.誤差分析。四、思考題1.在本課題中，為何使用反相器和反相加法器實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算，而不直接