(重要)利用LM331进行频率电压转换

频率/电压变换器实验报告设计一、实验目的熟悉集成频率——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、技术要求当方波信号的频率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;方波信号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、设计报告要求1.列出已知条件，技术指标。2.分析电路原理。3.写出设计步骤：（1）电路形式选择。（2）电路设计，对所选电路中的各元件值进行计算式估算，并标于图中。4.测试与调整：（1）按技术要求测试数据，对不满足技术指标的参数进行调整，并整理列出表格，在方格纸上绘出波形。（2）故障分析几说明。5.误差分析。四、实验仪器及主要器件1.仪器双踪示波器1台直流稳压电源1台毫伏表1台万用表1台低频信号发生器1台2.元器件µA7411只LM3311只LM3241只电位器、电阻、电容若干五、设计过程1．方案选择可供选择的方案有两种,它们是:○1用通用型运算放大器构成微分器,其输出与输入的正弦信号频率成正比.○2直接应用F/V变换器LM331,其输出与输入的脉冲信号重复频率成正比.因为上述第○2种方案的性能价格比较高,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.-输入比较器定时比较器++5671sQTCtRtVCC2/3VCC9/10VCCs置“1”端置“0”端RRLCL-V0fi图5-1-1+VCCQ+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: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○1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），Q=1，此时，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ittSLofCRRR09.2V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10A~500A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。10K10KRXRt6.8K0.01100K1012K22K{RSfi470p12345678LM331lo图5-1-3++VCCmA2.02VRCCx在此，VCC=12V所以Rx=50kΩ取Rx=51kΩittSLofCRRR09.2V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Fi(Hz)200400600800100012001400160018002000Vo(V)0.8821.3701.7952.2462.6693.1303.5914.0204.4114.836图5-1-3中fi是经过微分电路500pF和10kΩ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。整机方框图和整机电路图整机方框图如图5-1-4所示。函数波形发生器反相加法器反相器F/V变换比较器正弦波fi=200~2000Hz方波直流0.2~2V-0.2~2V参考电压VR图5-1-4V0=1~5V函数波形发生器输出方波，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。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。○1反相器反相器的电路如图5-1-6所示。23451k67100kR4RL100kVCC+VCC-VEEVo1Vi1R5图5-1-6OP07+-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。○2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。23467R10R6Vo3+VCC-VEEVoVRR11图5-1-7OP07R9R9103o610oVRRVRRV已知Vo3=-Vo2=-fi×10-3V∵R9103i610oVRR10fRRV技术要求fi=200Hz时，Vo=1Vfi=2000Hz时，Vo=5V即V)450f95(450f250Viio（2）对照⑴式和⑵式，可见应有V95VRRR910若取R10=R9=20kΩ，则VR=-95V450f10fRRi3i610∴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。-12VRW210k15kR7VRR920kR81k图5-1-895)R//R(RRR//RV9872W98R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C2、C3、C4、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。○2反相加法器另一种设计方法如图5-1-9所示。R10R6Vo3+VCC-VEEVoVRR11图5-1-9A741+-R9设fi=200Hz时为Vo3，要求Vo1=1V，则fi=2000Hz时为10Vo3要求Vo=5V)RRVRRV(V910R6103oo)RRVRRV(910R6103o1（1）)RRVRRV(910R6103o5（2）（1）-（2）：94RRV4RRV96103o6103o（3）（1）10-（2）：95RRV5RRV9910R910R（4）由⑷，若取VR=-1V，则95RR910，取定一个电阻就可确定另一个。即若取V95VR，则R10=R9，取定R10、R9。知道R10，则由⑶根据Vo3大小，可确定R6。设Vi3=-0.2V，则920RR610，从而得106R209R。六、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。/2Vo1应为单极性的正方波，幅度≈VCC。Vi2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信号频率fi调到200Hz。此时Vo2=0.2V。否则调整Rw1。Vo3=-0.2V。否则调整R4。VR应=-5/9V。否则调整Rw2。Vo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R9。Vo3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，应基本符合表5-1-2中的值。表5-1-2Vo和Fi的关系Fi(Hz)200400600800100012001400160018002000实际Vo(V)0.881.371.802.252.673.133.594.024.414.83理论Vo(V)1.001.441.882.322．763．203.644.084.525.00七、实验报告内容画出观察到的有关点的信号波形；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。出现过的故障现象、原因分析及解决方法。八、误差分析：由于不能得准确的电阻，导致测量值与实际值不是很一致，元器件自身误差与外部环境的影响也造成实验结果有误差。滤波电路不能使波形完全平滑，导致示数不准确。九、注意事项：插面包板时注意正负极，元器件和导线的并联与串联，地线从电压源引出正确接入电路。十．心得体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关低频电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于迎刃而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事。课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等。此课程设计，我仍感慨颇多，从理论到实践，在实验室里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正掌握知识和技能。实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。