频率电压变换器

低频电子线路课程设计频率/电压变换器

电子信息工程三班

江海东

学号：2220083421

一、概述

本课题要求设计一个频率/电压变换电路，电路的输入信号为正弦波，电路的输出信号是直流电压，当输入信号的频率变化时，输出的直流电压随输入信号的频率发生线性变化。为电路的设计提供集成频率——电压变换器LM331和集成运放LM324这两种集成芯片，芯片的技术资料和使用方法查阅相关资料。

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：

1、输入信号：波形：正弦波；

峰—峰值：200mV；

频率变化范围：200Hz~2.0kHz。

2、输出信号：直流电压；

电压变化范围：1.0~5.0V；随频率线性变化。

3、电源电压：-12V~+12V范围内选择。

三、设计过程：

1、实验仪器：电源两个，函数信号发生器一台，万用表一块，电压表一块，示波器一个，面包板一个，LM331及LM324芯片各一个，电阻、电容、电位器、导线若干。

2、LM331的简要工作原理：

LM331 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C L 充电，V CL 按线性增大（因为是恒流源对C L 充电）。 经过1.1R t C t 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1.1R t C t 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fi 成正比。 C L 的平均充电电流为i ×（1.1R t C t ）×fi 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 ×（1.1R t C t ）×fi ×R L 式中I 是恒流电流，I=1.90V/R S

式中1.90V 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 、Rt 、C t 、R L 一定时，V o 正比于fi ，显然，要使V o 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~3.8 k Ω范围内调节。一般R S 在10k Ω左右取用。 3．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 =14.2 k Ω 则 V o =fi ×10 –3V

由此得V o 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 直流电压V o 和fi 的 关系

图5-1-3中fi 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fi 应是方波。

4、输出电压放大部分电路如图5-1-4所示：V1为100 k Ω电阻两端电压,Uo 为V1经LM324放大后的直流电压。

V10.2 V

图5-1-4

因为V o =fi ×10 –3V ,且Rf/R3>11/9,取Rf/R3=12/9=4/3,即可取Rf=20k Ω,R3=15k Ω,

经计算可得Uo 与V o 及V1的关系：Uo=（1+Rf/R3）[R2/(R1+R2)Vo+R1/(R1+R2)V1];

取V1=5V ,可得R2/(R1+R2)=20/21, R1/(R1+R2)=1/21,即R1/R2=1/20,故可取R1=1 k Ω, R2=20 k Ω,化简得：Uo=20V o/9+5/9,即Uo=(20 fi ×10 –3)/9+5/9,所以由此可知：Uo 与fi 呈线性关系，且当Vo=0.2V 时,Uo=1V;当时V o=2V 时,Uo=5V 。 四、理论测量和调整：

1、可在200Hz~2kHz 内的任一频率上观察。

2、V o 应为正直流电压，Uo 应为正直流电压。

3、测量图5-1-3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f i 调到200Hz 。此时 V o =0.2V 。否则调整R s 。 V 1应= 5V 。