.ffff5.1 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.-输入比较器定时比较器++5671sQTC tR tV CC 2/3V CC9/10V CCs置“1”端置“0”端RR LC L-V 0fi 图5-1-1+V CCQ+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 CCv ctt1.1R t Ctt0V 0v CLt3.5v p-pVCC1/f it1st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f i 成正比。

C L 的平均充电电流为i ×（1.1R t C t ）×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 ×（1.1R t C t ）×f i ×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 SLo 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~3.8 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。

10K10KR XR t 6.8K0.01100K1012K22K{R Sf i470p12345678LM331lo图5-1-3++V CCmA2.02V R CC x -=在此，V CC =12V所以 R x =50k Ω取 R x =51 k Ωi t t SLo f C R R R 09.2V 取 R S =14.2 k Ω 则 V o =f i ×10 –3V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 V o 和fi 的 关系 Fi(Hz) 200 650 1100 1551 2000 V o(V) 0.20.651.11.552.0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。

函数波形发生器反相加法器反相器F/V变换比较器正弦波fi=200~2000Hz方波直流0.2~2V -0.2~2V参考电压V R图5-1-4V 0=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。

{ICL803810k100k100k10k10k10k1041042236.2k6.2k1k10k10u10k100k10k101010k 1.8k470p12k2k10k51k106.8k0.0110100k 51k100k9k4.7k20k 20k1k10k15k 12345678910111223467+--+4871267851323+2476423-+746R 1R 2R X C 2C 3C 1C 5C 43+V CC-V EEV 010R SR 3R w1R LR 5A741LM311LM331OP07OP07（2个18k并联）R 9R tR 4R 5R 8R w2R 10R 11R 6C L C t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。

23451k 67100kR 4R L100kV CC+V CC-V EE V o1V i1R 5图5-1-6OP07+-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。

23467R 10R 6V o3+V CC-V EEV oV RR 11图5-1-7OP07R 9R 9103o 610o V R RV R R V --= 已知V o3= -V o2= -f i ×10-3V ∵R 9103i 610o V R R10f R R V -⨯=- 技术要求f i =200Hz 时，V o =1V f i =2000Hz 时，V o =5V 即V )450f95(450f 250V i i o +=+=（2）对照⑴式和⑵式，可见应有 V 95V R R R 910=-若取R 10=R 9=20 k Ω，则V R = -95V 450f10f R R i 3i 610=⨯- ∴R 6=9k Ω，用两个18 k Ω电阻并联获得。

平衡电阻R 11≈R 11//R 6//R 9=4.7 k Ω。

参考电压V R 可用电阻网络从-12V 电源电压分压获取，如图5-1-8所示。

-12VR W210k15kR 7V RR 920kR 81k图5-1-895)R //R (R R R //R V 9872W 98R =++=若取 R 8=1k Ω，则R 8//R 9=0.952 k Ω R w2+R 7=19.6 k Ω 取 R 7= 15 k ΩR w2用10 k Ω电位器。

图5-1-5中的 C 2、C 3、C 4、C 5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。

R 10R 6V o3+V CC-V EEV oV RR 11图5-1-9A741+-R 9设f i =200Hz 时为V o3，要求V o1=1V ，则f i =2000Hz 时为10V o3要求V o =5V)R RV R R V (V 910R 6103o o +-==+-)R RV R R V (910R 6103o 1（1）=+-)R RV R R V (910R 6103o 5（2）（1）-（2）：94R R V 4R R V 96103o 6103o -=→-= （3）（1）⨯10-（2）：95R R V 5R R V 9910R 910R -=→=- （4）由⑷，若取V R = -1V ，则95R R 910=，取定一个电阻就可确定另一个。

即 若取V 95V R -=，则R 10=R 9，取定R 10、R 9。

知道R 10，则由⑶根据V o3大小，可确定R 6。

设V i3= -0.2V ，则920R R 610=， 从而得106R 209R =。

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。

V i1应为直流电平≈0，幅度≈0.22V CC 的正弦波。

V o1应为单极性的正方波，幅度≈V CC 。

V i2应为直流电平≈V CC 的正负脉冲。

V o2应为正直流电压，V o3应为负直流电压，V O 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f i 调到200Hz 。

此时 V o2=0.2V 。

否则调整R w1。

V o3= -0.2V 。

否则调整R 4。

V R 应= -5/9V 。

否则调整R w2。

V o应=1V。

否则分别检查V R、V o3产生的输入。

V R产生的输出-应为VR。

否则调整R9。

V o3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V o2、V o3、V R、V o，应基本符合表5-1-2中的值。

表5-1-2 有关点直流电压与f i的关系f i（Hz）200 650 1100 1550 2000V o2（V）0.2 0.65 1.1 1.55 2.0V o3（V）-0.2 -0.65 -1.1 -1.55 -2.0V R（V）-5/9 -5/9- -5/9 -5/9 -5/9V o（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。