[post]5.1 頻率/電壓變換器*
一、概述
本課題要求熟悉集成頻率——電壓變換器LM331的主要性能和一種應(yīng)用;
熟練掌握運算放大器基本電路的原理,并掌握它們的設(shè)計、測量和調(diào)整方法。
二、技術(shù)要求
當(dāng)正弦波信號的頻率fi在200Hz~2kHz范圍內(nèi)變化時,對應(yīng)輸出的直流電壓Vi在1~5V范圍內(nèi)線形變化;
正弦波信號源采用函數(shù)波形發(fā)生器的輸出(見課題二圖5-2-3);
采用±12V電源供電.
三、設(shè)計過程
1.方案選擇
可供選擇的方案有兩種,它們是:
○1用通用型運算放大器構(gòu)成微分器,其輸出與輸入的正弦信號頻率成正比.
○2直接應(yīng)用F/V變換器LM331,其輸出與輸入的脈沖信號重復(fù)頻率成正比.
因為上述第○2種方案的性能價格比較高,故本課題用LM331實現(xiàn).
LM331的簡要工作原理
LM331的管腳排列和主要性能見附錄
LM331既可用作電壓――頻率轉(zhuǎn)換(VFC)
可用作頻率――電壓轉(zhuǎn)換(FVC)
LM331用作FVC時的原理框如圖5-1-1所示.
此時,○1腳是輸出端(恒流源輸出),○6腳為輸入端(輸入脈沖鏈),○7腳接比較電平.
工作過程(結(jié)合看圖5-1-2所示的波形)如下:
當(dāng)輸入負(fù)脈沖到達時,由于○6腳電平低于○7腳電平,所以S=1(高電平), =0(低電平)。此時放電管T截止,于是Ct由VCC經(jīng)Rt充電,其上電壓VCt按指數(shù)規(guī)律增大。與此同時,電流開關(guān)S使恒流源I與○1腳接通,使CL充電,VCL按線性增大(因為是恒流源對CL充電)。
經(jīng)過1.1RtCt的時間,VCt增大到2/3VCC時,則R有效(R=1,S=0), =0,Ct、CL再次充電。然后,又經(jīng)過1.1RtCt的時間返回到Ct、CL放電。
以后就重復(fù)上面的過程,于是在RL上就得到一個直流電壓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。
CL的平均充電電流為i×(1.1RtCt)×fi
CL的平均放電電流為Vo/RL
當(dāng)CL充放電平均電流平衡時,得
Vo=I×(1.1RtCt)×fi×RL
式中I是恒流電流,I=1.90V/RS
式中1.90V是LM331內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓(即2腳上的電壓)。
于是得
可見,當(dāng)RS、Rt、Ct、RL一定時,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,則上述元件應(yīng)選用高精度、高穩(wěn)定性的。
對于一定的fi,要使Vo為一定植,可調(diào)節(jié)RS的大小。恒流源電流I允許在10 A~500 A范圍內(nèi)調(diào)節(jié),故RS可在190kΩ~3.8 kΩ范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。一般RS在10kΩ左右取用。
2.LM331用作FVC的典型電路
LM331用作FVC的電路如圖5-1-3所示。
在此,VCC=12V
所以 Rx=50kΩ取 Rx=51 kΩ
取 RS=14.2 kΩ
則 Vo=fi×10 –3V
由此得Vo與fi在幾個特殊 頻率上的對應(yīng)關(guān)系如表5-1-1所示。
表5-1-1 Vo和fi的 關(guān)系
Fi(Hz) 200 650 1100 1551 2000
Vo(V) 0.2 0.65 1.1 1.55 2.0
圖5-1-3中fi是經(jīng)過微分電路470pF和10 kΩ加到○6腳上的!6腳上要求的觸發(fā)電壓是脈沖,所以圖5-1-3中的fi應(yīng)是方波。
整機方框圖和整機電路圖
整機方框圖如圖5-1-4所示。
函數(shù)波形發(fā)生器輸出的正弦波比較器變換成方波。方波經(jīng)F/V變換器變換成直流電壓。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。
整機電路如5-1-5所示。
反相器和反相加法器的設(shè)計計算
函數(shù)波形發(fā)生器,比較器電路的設(shè)計計算分別見課題二 和有關(guān)實驗。
以上介紹了F/V變換器,下面介紹反相器和反相加法器。
○1反相器
反相器的電路如圖5-1-6所示。
因為都是直接耦合,為減小失調(diào)電壓對輸出電壓的影響,所以運算放大器采用低失調(diào)運放OP07。
由于LM331的負(fù)載電阻RL=100kΩ(見圖5-1-3),所以反相器的輸入電阻應(yīng)為100 kΩ,因而取RL=100。
反相器的Au=-1,所以
R4=RL=100 kΩ
平衡電阻R5=RL//R4=50 kΩ 取 R5=51 kΩ。
○2反相加法器
用反相加法器是因為它便于調(diào)整—--可以獨立調(diào)節(jié)兩個信號源的輸出電壓而不會相互影響,電路如圖5-1-7所示。
已知Vo3= -Vo2= -fi×10-3V
∵
技術(shù)要求
fi=200Hz時,Vo=1V
fi=2000Hz時,Vo=5V
即 (2)
對照⑴式和⑵式,可見應(yīng)有
若取R10=R9=20 kΩ,則VR= - V
∴R6=9kΩ,用兩個18 kΩ電阻并聯(lián)獲得。
平衡電阻R11≈R11//R6//R9=4.7 kΩ。
參考電壓VR可用電阻網(wǎng)絡(luò)從-12V電源電壓分壓獲取,如圖5-1-8所示。
若取 R8=1kΩ,則R8//R9=0.952 kΩ
Rw2+R7=19.6 kΩ
取 R7= 15 kΩ
Rw2用10 kΩ電位器。
圖5-1-5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。
○2反相加法器另一種設(shè)計方法如圖5-1-9所示。
設(shè)fi=200Hz時為Vo3,要求Vo1=1V,則fi=2000Hz時為10Vo3要求Vo=5V
1 (1)
5 (2)
(1)-(2): (3)
(1) 10-(2): (4)
由⑷,若取VR= -1V,則 ,取定一個電阻就可確定另一個。
即 若取 ,則R10=R9,取定R10、R9。
知道R10,則由⑶根據(jù)Vo3大小,可確定R6。
設(shè)Vi3= -0.2V,則 ,
從而得 。
四、測量和調(diào)整
觀察圖5-1-5中有關(guān)點的波形。
可在200Hz~2kHz內(nèi)的任一頻率上觀察。
Vi1應(yīng)為直流電平≈0,幅度≈0.22VCC的正弦波。
Vo1應(yīng)為單極性的正方波,幅度≈VCC。
Vi2應(yīng)為直流電平≈VCC的正負(fù)脈沖。
Vo2應(yīng)為正直流電壓,Vo3應(yīng)為負(fù)直流電壓,VO應(yīng)為正直流電壓。
測量圖5-1-5中有關(guān)點的直流電壓
首先要保證頻率計,電壓表完好,即保證測得的頻率、電壓數(shù)值正確。
將函數(shù)波形發(fā)生器的輸出信號頻率fi調(diào)到200Hz。此時
Vo2=0.2V。否則調(diào)整Rw1。
Vo3= -0.2V。否則調(diào)整R4。
VR應(yīng)= -5/9V。否則調(diào)整Rw2。
Vo應(yīng)=1V。否則分別檢查VR、Vo3產(chǎn)生的輸入。
VR產(chǎn)生的輸出-應(yīng)為VR。否則調(diào)整R9。
Vo3產(chǎn)生的輸出應(yīng)為-4/9V,否則調(diào)整R6。
固定電阻的調(diào)整可用一個接近要求值的電阻和一個小阻值的電阻串聯(lián)來實現(xiàn)。
根據(jù)5-1-2中的頻率點,測出對應(yīng)的Vo2、Vo3、VR、Vo,應(yīng)基本符合表5-1-2中的值。
表5-1-2 有關(guān)點直流電壓 與fi的關(guān)系
fi(Hz) 200 650 1100 1550 2000
Vo2(V) 0.2 0.65 1.1 1.55 2.0
Vo3(V) -0.2 -0.65 -1.1 -1.55 -2.0
VR(V) -5/9 -5/9- -5/9 -5/9 -5/9
Vo(V) 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
五、實驗報告內(nèi)容
畫出觀察到的有關(guān)點的信號波形;
根據(jù)表5-1-2中給定的頻率點自行列表,填入個頻率點上直流電壓的理論值和實際測量值。對測量值與計算值誤差較大的項進行分析。
寫出實驗中曾出現(xiàn)過的故障現(xiàn)象、原因分析及解決方法。
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