利用LM331进行频率电压转换

. 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f i 在200Hz~2kHz 范围内变化时,对应输出的直流电压V i 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.

R +V CC

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: ；

2/3V CC

v ct

V 0

v CL

p-p

V

CC

1

s

t

图5-1-2

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C t 由V CC 经R t 充电，其上电压V Ct 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C L 充电，V CL 按线性增大（因为是恒流源对C L 充电）。 经过的时间，V Ct 增大到2/3V CC 时，则R 有效（R=1，S=0），Q =0，C t 、C L 再次充电。然后，又经过的时间返回到C t 、C L 放电。

以后就重复上面的过程，于是在R L 上就得到一个直流电压V o （这与电源的整流滤波原理类似），并且V o 与输入脉冲的重复频率f i 成正比。 C L 的平均充电电流为i ×（）×f i C L 的平均放电电流为V o /R L

当C L 充放电平均电流平衡时，得 V o =I ×（）×f i ×R L

式中I 是恒流电流，I=R S

式中是LM331内部的基准电压（即2脚上的电压）。 于是得i t t S

L

o f C R R R 09

.2V = "

可见，当R S 、R t 、C t 、R L 一定时，V o 正比于f i ，显然，要使V o 与f i 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f i ，要使V o 为一定植，可调节R S 的大小。恒流源电流I 允许在10μA~500μA 范围内调节，故R S 可在190k Ω~ k Ω范围内调节。一般R S 在10k Ω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。

f i

lo

mA

2.02

V R CC x -=

在此，V CC =12V

所以 R x =50k Ω取 R x =51 k Ω

i t t S

L

o f C R R R 09

.2V 取 R S = k Ω

则 V o =f i ×10 –3

V '

由此得V o 与f i 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

图5-1-3中f i 是经过微分电路470pF 和10 k Ω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f i 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。

参考电压V R

图5-1-40=1~5V

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V R 通过反相加法器得到符合技术要求的V o 。 整机电路如5-1-5所示。 ）

EE

图5-1-5

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。

100k

+V CC

V o1

V i1

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R L =100k Ω（见图5-1-3），所以反相器的输入电阻应为100 k Ω，因而取R L =100。

反相器的A u =-1，所以 ；

R 4=R L =100 k Ω

平衡电阻R 5=R L //R 4=50 k Ω 取 R 5=51 k Ω。 ○

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。

V o3

V o

V R

图5-1-7

R 9

103o 610o V R R

V R R V --

= 已知V o3= -V o2= -f i ×10-3

V ∵R 9

103i 610o V R R

10f R R V -⨯=

- 技术要求

f i =200Hz 时，V o =1V f i =2000Hz 时，V o =5V · 即V )450

f

95(450f 250V i i o +=+=

（2）

对照⑴式和⑵式，可见应有 V 9

5

V R R R 910=-

若取R 10=R 9=20 k Ω，则V R = -

9

5V 450

f

10f R R i 3i 610=⨯-