频率电压变换器

低频电子线路课程设计频率/电压变换器
电子信息工程三班
江海东
学号：2220083421
一、概述
本课题要求设计一个频率/电压变换电路，电路的输入信号为正弦波，电路的输出信号是直流电压，当输入信号的频率变化时，输出的直流电压随输入信号的频率发生线性变化。

为电路的设计提供集成频率——电压变换器LM331和集成运放LM324这两种集成芯片，芯片的技术资料和使用方法查阅相关资料。

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：
1、输入信号：波形：正弦波；
峰—峰值：200mV；
频率变化范围：200Hz~2.0kHz。

2、输出信号：直流电压；
电压变化范围：1.0~5.0V；随频率线性变化。

3、电源电压：-12V~+12V范围内选择。

三、设计过程：
1、实验仪器：电源两个，函数信号发生器一台，万用表一块，电压表一块，示波器一个，面包板一个，LM331及LM324芯片各一个，电阻、电容、电位器、导线若干。

2、LM331的简要工作原理：
LM331 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：
R +V
CC
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 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○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fi 成正比。

C L 的平均充电电流为i ×（1.1R t C t ）×fi 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 ）×fi ×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 、Rt 、C t 、R L 一定时，V o 正比于fi ，显然，要使V o 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。

3．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 =fi ×10 –3V
由此得V o 与fi 在几个特殊 频率上的对应关系如表5-1-1所示： 表5-1-1 直流电压V o 和fi 的 关系
图5-1-3中fi 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fi 应是方波。

4、输出电压放大部分电路如图5-1-4所示：V1为100 k Ω电阻两端电压,Uo 为V1经LM324放大后的直流电压。

V10.2 V
图5-1-4
因为V o =fi ×10 –3V ,且Rf/R3>11/9,取Rf/R3=12/9=4/3,即可取Rf=20k Ω,R3=15k Ω,
经计算可得Uo 与V o 及V1的关系：Uo=（1+Rf/R3）[R2/(R1+R2)Vo+R1/(R1+R2)V1];
取V1=5V ,可得R2/(R1+R2)=20/21, R1/(R1+R2)=1/21,即R1/R2=1/20,故可取R1=1 k Ω, R2=20 k Ω,化简得：Uo=20V o/9+5/9,即Uo=(20 fi ×10 –3)/9+5/9,所以由此可知：Uo 与fi 呈线性关系，且当Vo=0.2V 时,Uo=1V;当时V o=2V 时,Uo=5V 。

四、理论测量和调整：
1、可在200Hz~2kHz 内的任一频率上观察。

2、V o 应为正直流电压，Uo 应为正直流电压。

3、测量图5-1-3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 o =0.2V 。

否则调整R s 。

V 1应= 5V 。

Uo应=1V。

否则检查V o产生的输入。

4、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、U o，应基本符合表5-1-2中的值。

表5-1-2 直流电压Vo、Uo 与f的关系
1、按照电路图5-1-3连接实物电路。

2、检查无误后接通电源。

3、将函数信号发生器的频率调至200Hz，调节电位器Rs。

4、用电压表测量输出电压Vo。

5、调节函数信号发生器的输出频率，将电压表所测得的数据填入表5-1-3中。

6、按照电路图5-1-3和5-1-4连接实物电路。

7、检查无误后接通电源。

8、将函数信号发生器的频率调至200Hz。

9、用电压表测量输出电压Uo。

10、调节函数信号发生器的输出频率，将电压表所测得的数据填入表5-1-4中。

六、实验数据处理：
根据表5-1-3画出直流电压Vo与fi的曲线如图5-1-5所示：
根据表5-1-4画出直流电压Uo与fi的曲线如图5-1-6所示：
七、实验故障、分析及解决方法：
1、故障现象：接通电源时，电压表无示数。

原因分析：电路某一部分或某些部分开路。

解决方法：用万用表测量电路各个支路电压，再对照电路图检测实物电路中开路部分。

2、故障现象：调节电位器Rs时，函数信号发生器输出频率一定如200Hz时，无论如何调节，电压表示数都远小于理论值如1.000V。

原因分析：根据电路图分析可知，电位器Rs的作用是改变输出电压Vo的值使其在一定范围内可变，而此时调节范围达不到要求，故应扩大可调节范围。

解决方法：将Rs换为阻值较的电位器，以扩大可调范围。

八、实验报告内容:
1、画出观察到的有关点的信号波形；
2、根据表5-1-2中给定的频率点的行列表，填入10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。

3、写出实验中曾出现过的故障现象、原因分析及解决方法。

九、实验总结：
通过本次实验：
1、了解了实验所用芯片——频率/电压变换器LM331和集成运放LM324的技术资料及使用方法。

2、熟悉了仿真软件multisim10.0的功能并学会了其使用方法。

3、加深了电路设计过程中，电路设计的优劣与元器件的选择应用之间关系的理解。

4、认识到了实验过程中出现故障现象时，对故障原因的分析和找出解决方法的重要性。

5、学会的运算放大器基本电路的设计、测量和调整方法。