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5.1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__的频率fi在200Hz~2kHz范围内变化时对应输出的直流电压Vi在1~5V范围内线形变化;正弦波__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:用通用型运算放大器构成微分器其输出与输入的正弦__频率成正比.直接应用F/V变换器LM331其输出与输入的脉冲__重复频率成正比.因为上述第种方案的性能__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.#0;#0;#0;0#0;0#0;0#0;0#0;0#0;0#0;#0;0#0;0#0;0#0;#0;#0;#0;#0;#0;#0;#0;#0;#0;T#0;#0;-����������#0;����������#0;#0;#0;+#0;#0;#0;#0;#0;+#0;#0;#0;#0;#0;#0;#0;#0;#0;5#0;6#0;7#0;1#0;+VCC#0;s#0;Q#0;T#0;Ct#0;Q#0;Rt#0;+#0;VCC#0;2/3VCC#0;9/10VCC#0;s#0;����1����#0;����0����#0;#0;R#0;RL#0;CL#0;#0;-V0#0;fi#0;��5-1-1#0;此时脚是输出端恒流源输出脚为输入端输入脉冲链脚接比较电平.工作过程结合看图5-1-2所示的波形如下:
3.5vp-p#0;0#0;VCC#0;1/fi#0;t#0;1#0;s#0;t#0;0#0;0#0;#0;#0;#0;vct#0;2/3VCC#0;t#0;
1.1RtCt#0;t#0;#0;0#0;#0;V0#0;vCL#0;0#0;t#0;��5-1-2#0;当输入负脉冲到达时由于脚电平低于脚电平所以S=1高电平,=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),=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)×fiCL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10A~500A范围内调节,故RS可在190kΩ~
3.8kΩ范围内调节一般RS在10kΩ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#0;#0;#0;#0;#0;#0;#0;#0;10K#0;10K#0;RX#0;Rt
6.8K#0;
0.01#0;100K#0;10#0;12K#0;22K#0;{#0;RS#0;fi#0;470p#0;1#0;2#0;3#0;4#0;5#0;6#0;7#0;8#0;LM331#0;lo#0;��5-1-3#0;+#0;+VCC#0;在此,VCC=12V所以Rx=50kΩ取Rx=51kΩ取RS=
14.2kΩ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表5-1-1所示表5-1-1Vo和fi的关系FiHz200650110015512000VoV
0.
20.
651.
11.
552.0图5-1-3中fi是经过微分电路470pF和10kΩ加到脚上的脚上要求的触发电压是脉冲,所以图5-1-3中的fi应是方波整机方框图和整机电路图整机方框图如图5-1-4所示#0;��������������#0;��5-1-4#0;����������#0;������#0;F/V����#0;������#0;������#0;fi=200~2000Hz#0;����#0;����#0;
0.2~2V#0;-
0.2~2V#0;��������VR#0;V0=1~5V#0;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VR通过反相加法器得到符合技术要求的Vo整机电路如5-1-5所示#0;#0;#0;#0;#0;#0;10k#0;ICL8038#0;100k#0;100k#0;#0;#0;#0;{#0;+#0;+#0;+#0;#0;#0;#0;#0;#0;#0;10k#0;+#0;1#0;10k#0;2#0;10k#0;104#0;104#0;223#0;
6.2k#0;
6.2k#0;1k#0;10k#0;10u#0;10k#0;100k#0;10k#0;10#0;10#0;10k#0;
1.8k#0;470p#0;12k#0;2k#0;10k#0;51k#0;10#0;
6.8k#0;
0.01#0;10#0;100k#0;51k#0;100k#0;9k#0;
4.7k#0;20k#0;20k#0;1k#0;10k#0;15k#0;3#0;4#0;5#0;6#0;7#0;8#0;9#0;10#0;11#0;12#0;2#0;3#0;4#0;7#0;6#0;+#0;-#0;-#0;+#0;7#0;+#0;2#0;4#0;8#0;1#0;2#0;6#0;7#0;8#0;5#0;1#0;3#0;6#0;2#0;3#0;4#0;7#0;4#0;2#0;3#0;-#0;+#0;7#0;4#0;6#0;R1#0;R2#0;RX#0;C2#0;C3#0;C1#0;R3#0;C5#0;C4#0;3#0;+VCC#0;-VEE#0;V0#0;10#0;RS#0;Rw1#0;RL#0;R5#0;A741#0;LM311#0;LM331#0;OP07#0;OP07#0;��2��18k������#0;R9#0;Rt#0;R4#0;R5#0;R8#0;Rw2#0;R10#0;R11#0;R6#0;CL#0;Ct#0;��5-1-5#0;+#0;+#0;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反相器反相器的电路如图5-1-6所示#0;#0;#0;2#0;3#0;4#0;51k#0;6#0;7#0;100k#0;R4#0;RL#0;100k#0;VCC#0;+VCC#0;-VEE#0;Vo1#0;Vi1#0;R5#0;��5-1-6#0;OP07#0;+#0;-#0;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100kΩ,因而取RL=100反相器的Au=-1,所以R4=RL=100kΩ平衡电阻R5=RL//R4=50kΩ取R5=51kΩ反相加法器用反相加法器是因为它便于调整—--可以__调节两个__源的输出电压而不会相互影响,电路如图5-1-7所示#0;#0;#0;#0;#0;2#0;3#0;4#0;6#0;7#0;R9#0;R10#0;R6#0;Vo3#0;+VCC#0;-VEE#0;Vo#0;VR#0;R11#0;��5-1-7#0;OP07#0;已知Vo3=-Vo2=-fi×10-3V∵技术要求fi=200Hz时,Vo=1Vfi=2000Hz时,Vo=5V即
(2)对照⑴式和⑵式,可见应有若取R10=R9=20kΩ,则VR=-V∴R6=9kΩ,用两个18kΩ电阻并联获得平衡电阻R11≈R11//R6//R9=
4.7kΩ参考电压VR可用电阻网络从-12V电源电压分压获取,如图5-1-8所示#0;#0;#0;-12V#0;RW2#0;10k#0;15k#0;R7#0;VR#0;R920k#0;R81k#0;��5-1-8#0;若取R8=1kΩ,则R8//R9=
0.952kΩRw2+R7=
19.6kΩ取R7=15kΩRw2用10kΩ电位器图5-1-5中的C
2、C
3、C
4、C5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反相加法器另一种设计方法如图5-1-9所示#0;#0;#0;R9#0;R10#0;R6#0;Vo3#0;+VCC#0;-VEE#0;Vo#0;VR#0;R11#0;��5-1-9#0;A741#0;+#0;-#0;设fi=200Hz时为Vo3,要求Vo1=1V,则fi=2000Hz时为10Vo3要求Vo=5V1
(1)5
(2)
(1)-
(2)
(3)
(1)10-
(2)
(4)由⑷,若取VR=-1V,则,取定一个电阻就可确定另一个即若取,则R10=R9,取定R
10、R9知道R10,则由⑶根据Vo3大小,可确定R6设Vi3=-
0.2V,则,从而得
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≈VCCVi2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,VO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__频率fi调到200Hz此时Vo2=
0.2V否则调整Rw1Vo3=-
0.2V否则调整R4VR应=-5/9V否则调整Rw2Vo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R9Vo3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Vo
2、Vo
3、VR、Vo,应基本符合表5-1-2中的值表5-1-2有关点直流电压与fi的关系fi(Hz)200650110015502000Vo2(V)
0.
20.
651.
11.
552.0Vo3(V)-
0.2-
0.65-
1.1-
1.55-
2.0VR(V)-5/9-5/9--5/9-5/9-5/9Vo(V)
1.
02.
03.
04.
05.0
五、实验报告内容画出观察到的有关点的__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对测量值与计算值误差较大的项进行分析写出实验中曾出现过的故障现象、原因分析及解决方法。