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频率电压转换电路设计

淮海工学院

课程设计报告书

课程名称：

模拟电子技术课程设计

题目：

频率/电压转换电路的设计

系（院）：

电子工程学院

学期：

12-13-1

专业班级：

电子112

姓名：

孙开峰

学号：

2011120658

评语：

成绩：

签名

日期：

1、概述

本设计实验要求对比较器、F/V变换器LM331、反相器和反相加法器的主要性能和应用有所了解，要能掌握其使用方法。

同时要了解它们的设计原理。

本设计实验要求我们要灵活运用所学知识，对设计电路的理论值进行计算得到理论数据，在与实验结果进行比较。

1.1主要设计要求

当正弦波信号的频率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;

正弦波信号源采用函数波形发生器的输出;

采用±12V电源供电.

1.2设计方法

设计总体框图如下，可供选择的方案有两种，它们是：

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.

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.

2、设计过程

2.1函数信号发生器ICL8038芯片介绍

2.1.1ICL8038作用

ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,只需调整个别的外部元件就能产生从0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。

输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。

另外由于该芯片具有调频信号输入端,所以可以用来对低频信号进行频率调制。

2.1.2ICL8038管脚介绍

脚号

引脚代号

功能

1、12

SineWaveAdjust

正弦波失真度调节

2

SineWaveOut

正弦波输出

3

TriangleOut

三角波输出

4、5

DutyCycleFrequency

方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节

6

V+

正电源±10V～±18V

7

FM　Bias

内部频率调节偏置电压输入

8

FMSweep

外部扫描频率电压输入

9

Square　Wave　Out

方波输出，为开路结构

10

Timing　Capacitor

外接振荡电容

11

V－or　GND

负电原或地

13、14

NC

空脚

图2ICL8038

表1引脚功能介绍

2.2比较器的设计

过零比较器

过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。

原理是利用比较器对两个输入电压进行比较。

两个输入电压一个是参考电压Vr，一个是待测电压Vu。

一般Vr从正相输入端接入，Vu从反相输入端接入。

根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电压。

当参考电压已知时就可以得出待测电压的测量结果，参考电压为零时即为过零比较器。

　　用比较器构造的过零比较器存在一定的测量误差。

当两个输入端的电压差与开环放大倍数之积小于输出阈值时探测器都会给出零值。

例如，开环放大倍数为106，输出阈值为6v时若两输入级电压差小于6微伏探测器输出零。

这也可以被认为是测量的不确定度。

+VCC

2.3F/V变换电路的设计

2.3.1F/V变换器的简单介绍

LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。

LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。

LM331的动态范围宽,可达100dB;线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。

2.3.2LM331器件管脚图及管脚功能

引脚号

引脚名

功能

1

CurrentOutput

电流输出

2

RefCurrent

基准电流

3

FrequencyOutput

频率输出

4

GND

接地

5

R/C

接RC定时电路

6

Thresholod

阈值

7

ComparatorInput

比较输入

8

VS

电源

图4LM331器件管脚图及管脚功能

2.3.3LM331内部功能图

LM331的内部电路组成如右图所示由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成输出驱动管采用集电极开路形式,因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻,灵活改变输出脉冲的逻辑电平,以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

LM331可采用双电源或单电源供电,可工作在4.0～40V之间,输出可高达40V,而且可以防止Vcc短路。

图5LM331内部功能图

2.3.4LM331用作FVC时的原理框

图6LM331用作FVC时的原理框

脚是输出端（恒流源输出）,

脚为输入端（输入脉冲链）,

脚接比较电平.

工作过程波形如下：

图7工作过程波形

当输入负脉冲到达时,由于

脚电平低于

脚电平,所以S=1（高电平），

=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

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），

=0，Ct、CL再次充电。

然后，又经过1.1RtCt的时间返回到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）×fi

CL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VO=2.09RlRtCtfi/Rs

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。

注意：

电容C1的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输入比较器，但电容C1小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。

电阻RL和电容CL组成低通滤波器。

电容CL大些，输出电压Vo的纹波会小些，电容CL小些，当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。

2.3.5LM331用作FVC的电路

Vo

图8LM331用作FVC的电路

在此，VCC=12V

所以Rx=50kΩ取Rx=51kΩ

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2所示。

表2Vo和fi的关系

Fi（Hz）

200

650

1100

1551

2000

Vo（V）

0.2

0.65

1.1

1.55

2.0

图8中fi是经过微分电路470pF和10kΩ加到

脚上的。

脚上要求的触发电压是脉冲，所以图2.3.6.1中的fi应是方波。

函数波形发生器输出的正弦波比较器变换成方波。

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。

整机电路如图9所示。

图9整机电路图

2.4反相器的设计

反相器的选取

反相器的电路如图5-1-6所示。

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。

图10反相器

图2.4.3

2.5反相加法器的设计

2.5.1反相加法器原理

反相加法器运算电路是运用集成运算放大器LM741接外接电路组成的具有将输入的信号不同比例放大后叠加反相输出功能的运算电路。

反相加法运算电路的基本电路如图所示。

同相端接地，输入信号从反相端输入，当运算放大器的开环增益足够大时，其输入端为虚地，Vs1和Vs2均可通过R1和R2转换电流，实现代数的相加运算。

其输出电压为：

Vo=-（Rf/R1Vs1+Rf/R2Vs2）

当R1=R2=R的时候：

Vo=-Rf/R（Vs1+Vs2）

式中的负号是因反相输入端所引起的

2.5.2反相加法器的参数设定

图11反相加法器的参数设定

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

已知Vo3=-Vo2=-fi×10-3V

∵

技术要求

fi=200Hz时，Vo=1V

fi=2000Hz时，Vo=5V

即

（2）

对照

式和

式，可见应有

若取R10=R9=20kΩ，则VR=-

V

∴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12所示。

图12

若取R8=1kΩ，则R8//R9=0.952kΩ

Rw2+R7=19.6kΩ

取R7=15kΩ

Rw2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。

3、

表三元件清单

元件清单

序号

编号

名称

规格

数量

1

C1

电容

470pF

1

2

C2

电容

0.01µF

1

3

C3

电容

10µF

1

4

LF353P

集成运放

LF353P

2

5

KA331

频率-电压转换器

KA331

1

6

R1

电阻

10K

4

7

R2

电阻

100K

3

8

R3

电阻

12K

1

9

R4

电阻

51K

3

10

R5

电阻

6.8K

2

11

R6

电阻

5K

1

12

R7

电阻

2K

1

13

R8

电阻

1K

1

14

R9

电阻

30K

1

15

R10

电阻

20K

1

16

R11

电位器

2K

1

17

R12

电位器

10K

1

18

ICL8038

函数信号发生器

ICL8038

1

4、心得体会

这是的电路设计让我深深体会到自己的不足。

我深深的感觉到原来在书本上的东西运用到实际上的电路的时候不是那么顺利的，我们要不断的调试计算，要保证每个部分可以很好的配合。

同时，这次课程设计让我学到了很多新的知识，让我接触到平时我们不怎么接触到的器件，让我了解了它们的性能和作用。

我也发现有些平时在学《电路》和《电子线路》不懂的问题，在这次课程设计的过程中我也慢慢的懂得了。

在这次课程设计的开始，我感觉好迷茫，因为我不知道我要干吗，我要如何去设计，但通过几天的查阅资料和询问同学，慢慢的我懂得了如何去做。

我觉得这次课程设计最大的困难就是对F/V变换器LM331的认识和理解。

因为在之前我对这个器件一点都不了解。

刚看到它的电路图时，我感觉好复杂，虽然里面有我们学过的器件，但组合起来之后，就会比较难懂。

但在我查阅资料后慢慢对这个器件的一些性能有所了解。

虽然可能现在理解的还不是很透彻，但我会继续慢慢去把它弄懂。

我觉得这次课程设计对于我们专业的知识有加固作用，对我们以后的学习有很大的帮助。

我希望学校可以多多开些课程设计类的课程，让我们可以把我们学到的理论知识用于实际。

5、参考文献

6.1陈梓城.《实用电子电路》中国电力出版社2006

6.2梁宗善.电子技术基础课程设计.华中理工大学出版社,1995

6.3彭介华.实验电子技术.北京：

国防工业出版社，2001

6.4谢嘉奎主编.电子线路（线形部分）第四版.北京：

高等教育出版社,1999