频率电压变换器实验报告

频率/电压变换器实验报告

一：已知条件与技术指标

（1）本次设计函数发生器采用实验台的函数波形发生器。确定可调范围设在200Hz----2000Hz,在调试过程中，挑选中间的几个值进行测试。

（2）F/V变换采用集成块LM331构成的典型电路。通过参考书和报告上的指导书确定相关参数，测定输出的电压范围。

（3）反相器采用比例为-1，通过集成芯片OP07实现。

(4）反相加法器同样用芯片OP07实现，通过调节V R的大小。使输出的电压在1-5V。

（5）采用+ -12V电源供电。

二：电路原理

系统构成的主要流程图

参考电压V R

4、分析并计算主要元件参数值

(1)F/V转换部分：（ⅰ）LM331的内部原理图

R +V

CC

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.工作过程及工作波形如图所示：

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 S

L

o 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。

（ⅱ）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 =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下表所示。

表5-1-1 Vo 和fi 的关系

图中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方波。

（2）反相器

反相器的电路如图5-1-6所示。

100k

+V CC

V o1

V i1

图5-1-6

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 k Ω。 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。

（3）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：

V o3

V o

V R

图5-1-7

R 9

103o 610o V R R

V R R V --

= （1） 已知V o3= -V o2= -f i ×10-3V ∵R 9

103i 610o V R R

10f R R V -?=

- 技术要求

f i =200Hz 时，V o =1V f i =2000Hz 时，V o =5V

即 Vo=（5／9+fi/450）V

（2）

对照⑴式和⑵式，可见应有 －(R10/R9)×Vr=5/9 若取R 10=R 9=20 k Ω，则 V r = -5/9V

450

f

10f 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。 为了保证Vr 的值直接从-12v 引入,

V R=(R8//R9)/[R w2+R7+(R8//R9)]=5/9

若取R8=1 kΩ, 则R8//R9=0.952 kΩ

R w2+R7=19.6 kΩ

取R7=15 kΩ

R w2用10 kΩ电位器。

整机原理图中的C2、C3、C4、C5均为滤波器电容，以防止自激和输出直流电压上产生毛刺，电用电位器。容值均为10uF/16V

(三)测量与调整

观察整机原理图有关点的波形。

可在200Hz~2000Hz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应为负直流电压吗，V o应为正直流电压。

测量整机原理图中有关节点的直流电压

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入信号频率f i调到200Hz。此时

V o2=0.2V。否则调整R w5。

V o3=-0.2V。否则调整R15

V R=-5/9V。否则调整R w6

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R20。

V o3产生的输出应为-4/9V，否则调整R18、R19。

固定电阻的调整可用一个接近要求值的电阻和一个小电阻的电阻串联来实现。三：设计步骤

整机原理图如下所示：

将其中的IC1 ICL8038部分换成三角波形发生器，具体参数选择如下图所示：

在面包板上连接好电路以后，就行测试与调整，步骤如下所示：

四：测量和调整

（1）各级调整。

调整应遵循由前级逐级往后进行的原则。首先检查各器件电源脚电压正常否。线路板上电源正负极及地必须标示明确，以防接错。

波形发生器：调整使其输出一周期信号，频率可在200Hz到2kHz内变化，注意保证一定余量。频率调节，波形幅度基本保持不变。

A1：2、3和6脚直流电位为零；

IC2：见V i1和V o1的波形；

IC3：2脚约为2V直流电位，5脚为脉冲波，周期与V o1相同，6脚波形见V i2；A2和A3：2和3脚均为零电位，各自6脚分别见V o3和V o。

（2）观测图中有关各点波形并记录其参数值（选择1kHz频率点观测）。

V a为波形发生器的输出波形；

A1的2、3脚波形及V i1波形；

V o1为单极性的正半周方波，幅度≈V cc；

V i2应为直流电平≈V CC的正负脉冲，IC3的5脚是幅度约为2/3V CC的脉冲波；

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。

（3）测量图中有关点的直流电压

将波形发生器的输出信号频率f i分别调到200Hz和2000Hz；

此时正常时V o2=0.2V和2V左右，误差不大可适当调整R w5；不行的话，再适当调整R13；

如果误差很大，则是有干扰，应在图中虚线处加一代码为102的电容器；如果依然不行，则要找出原因，排除故障。

V o3 =-0.2V和-2V左右，否则可适当调整R15；

V R≈-0.56V，这里R w6主要是保证V o是否能够达到设计值，调整R w6使总误差在给定范围内即可；

V o=1V和5V，误差应在控制范围内，否则分别检查V R、V o3是否符合要求。最后若总误差有点超出则可适当调整R22；

固定电阻的调整可用相近标称系列电阻替代来实现。往上选增加阻值或往下选减

少阻值。

五：误差分析：

在实验过程中，由于部分电阻的阻值与其对应的标称值存在一定的误差，也会对实验结果产生较大的影响，导致实验结果出现误差，还有可能是由于示波器、电源等自身存在的原因导致在观察示波器读数时出现跳动，不稳定状态也会对在读数是造成影响，从而导致实验误差，还有部分原因就是在调节频率是，通过波形发生器的滑动变阻器调节使频率发生变化时，无法确切的调节到精确的所需频率，也会导致最后实验结果误差的发生，

附录（各种以前未曾使用过的实验器材）

集成运放uA741

电压比较器LM311

频率电压变换器LM331

集成运算放大器OP07