5.1 频率/电压变换器* 一、概述
本课题要求熟悉集成频率——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(见课题二图5-2-3); 采用±12V电源供电. 三、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. ○
2种方案的性能价格比较高,故本课题用LM331实现. 因为上述第○
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.
+VCC9/10VCC7-输入比较器置“1”端sQ+s1+CLVCCRtRL-V0fi62/3VCC定时比较器5CtR+Q置“0”端T图5-1-1 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. 此时,○
工作过程(结合看图5-1-2所示的波形)如下:
VCC1/fi3.5vp-p0ts10tvct2/3VCC01.1RtCtt0vCLtV00t
图5-1-2
6脚电平低于○7脚电平,所以S=1(高电平)，Q=0（低电平） 当输入负脉冲到达时,由于○。
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，
1脚接通，电流开关S使恒流源I与○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 =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~3.8 kΩ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。
+VCC10K10K87LM3315Rt6.8KRX0.01fi470p2412K{RS22K3110+100K6lo图5-1-3
Rx?VCC?2
0.2mA在此，VCC=12V
所以 Rx=50kΩ取 Rx=51 kΩ
Vo?2.09RLRtCtfi RS取 RS=14.2 kΩ 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5-1-1 Vo和fi的 关系 Fi(Hz) Vo(V)
6脚上的。○6脚上要求的触发电压是脉冲，图5-1-3中fi是经过微分电路470pF和10 kΩ加到○
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。
方波直流F/V变换0.2~2V反相器-0.2~2V200 0.2 650 0.65 1100 1.1 1551 1.55 2000 2.0 函数波形发生器正弦波比较器反相加法器V0=1~5Vfi=200~2000Hz图5-1-4参考电压VR
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5-1-5所示。
C2+101k6.2k10k8710k100k10k10410k104223100k11245ICL803811106.2k1.8k10k10kR16923+10u10k3+76100kA7412-410k+C3103+4287LM3111470pC1+VCCR515kRw210kR81kR1020k67-OP074+32R69k6R920k7OP07（2个18k并联）R114.7k4+3R4100kRL-2100kR551kCt50.01138LM3314762{R312kCL10+RSRw12k+C510-VEER210kRt6.8kRX51kC410+V0图5-1-5
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。
+VCCR551kRL2VCC100k-VEER4100k-3+Vi17OP0746Vo1
图5-1-6