[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用；
熟練掌握運算放大器基本電路的原理，并掌握它們的設計、測量和調(diào)整方法。
二、技術要求
當正弦波信號的頻率fi在200Hz~2kHz范圍內(nèi)變化時,對應輸出的直流電壓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成微分器,其輸出與輸入的正弦信號頻率成正比.
○2直接應用F/V變換器LM331,其輸出與輸入的脈沖信號重復頻率成正比.
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――頻率轉換（VFC）
可用作頻率――電壓轉換（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(結合看圖5-1-2所示的波形)如下:
                   
    當輸入負脈沖到達時,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)部的基準電壓（即2腳上的電壓）。
于是得
可見，當RS、Rt、Ct、RL一定時，Vo正比于fi，顯然，要使Vo與fi之間的關系保持精確、穩(wěn)定，則上述元件應選用高精度、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 頻率上的對應關系如表5-1-1所示。
                          表5-1-1  Vo和fi的 關系
         
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)反相器變成負電壓，再與參考電壓VR通過反相加法器得到符合技術要求的Vo。
整機電路如5-1-5所示。
   
反相器和反相加法器的設計計算
函數(shù)波形發(fā)生器，比較器電路的設計計算分別見課題二 和有關實驗。
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的負載電阻RL=100kΩ（見圖5-1-3），所以反相器的輸入電阻應為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
∵
技術要求
fi=200Hz時，Vo=1V
fi=2000Hz時，Vo=5V
即                             （2）
對照⑴式和⑵式，可見應有   
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計方法如圖5-1-9所示。
           
設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Vi3= -0.2V，則 ，
從而得 。

四、測量和調(diào)整
觀察圖5-1-5中有關點的波形。
可在200Hz~2kHz內(nèi)的任一頻率上觀察。
Vi1應為直流電平≈0，幅度≈0.22VCC的正弦波。
Vo1應為單極性的正方波，幅度≈VCC。
Vi2應為直流電平≈VCC的正負脈沖。
Vo2應為正直流電壓，Vo3應為負直流電壓，VO應為正直流電壓。
測量圖5-1-5中有關點的直流電壓
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= -5/9V。否則調(diào)整Rw2。
Vo應=1V。否則分別檢查VR、Vo3產(chǎn)生的輸入。
VR產(chǎn)生的輸出-應為VR。否則調(diào)整R9。
Vo3產(chǎn)生的輸出應為-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，測出對應的Vo2、Vo3、VR、Vo，應基本符合表5-1-2中的值。
表5-1-2  有關點直流電壓 與fi的關系
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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