FV变换器课程设计.docVIP

F/V变换器 频率信号与电压信号之间的转换在信号处理过程中有时也会要用到。将电压信号转换为频率信号称为V/F变换器，将频率信号转换为电压信号称为F/V变换器。这两个变换器可以利用集成电路电压-频率变换器LM331实现。 LM331简介 如图所示为LM331的内部结构图，外部形状为DIP8型。由基准电压源BAND-GAP，镜象电流源，电子开关CURRENT，运算放大器A1，A2，A3，R-S触发器组成。“2”脚通过电阻Rs接地，电源端“8”脚通过电阻RT串接电容CT接地，它们的串接点接“5”脚， 比较器A2的输出端接RS触发器的置位端，当它为“1”时，RS触发器置位（即Q为“1”）， 比较器A3的输出端接RS触发器的复位端，当它为“1”时，RS触发器复位（即Q为“0”）。 RS触发器Q端接电子开关，Q=1时，电子开关接左端点，Q=0时，电子开关接右端点。 下面进行定量讨论：基准电压源输出电压为1.90V，即比较器同相输入端电位为1.90V，则比较器反相输入端电位也为1.90V，因此，“2”脚流出电流为 I = 1.90/Rs， 所以，当Q=1时，电子开关接左端点，从“1”脚流出的电流为1.90/Rs。当然，Q=0时，电子开关接右端点，“1”脚与内部电路是断开的。 接上电源后，比较器A3反相输入端电位恒定为2/3(VCC)，电源通过电阻RT向电容CT充电，同相输入端电位升高，当升高到2/3(VCC)时，比较器A3输出端状态翻转，比较器A3输出端状态从“0”变化到“1”的时间分析如下： 两边同时取对数得： 当在“7”脚接固定偏置电压，脉冲信号通过微分电路接“6”脚，“1”脚输出信号，在“1”脚上并联电阻电容到地。如电路原理图所示。当脉冲信号下降沿到来时，通过R3与C1组成的微分电路变成负脉冲回到“6”脚，“6”脚接比较器A2的反相输入端，因此，负脉冲使A2输出高电平，使RS触发器置“1”，镜象电流流过输出端的RC并联电路（状态为电容处于充电状态，电位升高，但由于电容量较大，电位升高较慢），同时，触发器端为低电平，VT3截止，电源通电阻R4向电容C2充电，若输出端不接电容，则此时输出高电平，幅度为 UP = 1.9R7/Rs 注意到，由于C1值很小，负脉冲的维持时间很短，但是负脉冲消失后，只要在复位信号没来之前，RS触发器状态是不变的。 从前面的讨论可知，此充电过程维持时间为 这个时间一到，C2上的电压超过2/3(VCC)，比较器A3输出状态变为高电平“1”，提供触发器复位信号，使触发器复位，复位后，C2通过VT3快速放电（注意到，C3快速放电后，A3输出状态变成低电平“0”，但是在下一个置位信号没来之前，触发器状态就不变），同时，由于电子开关断开，“1”脚电流断开，输出端电容通过电阻缓慢放电，若输出端不接电容，则此时输出低电平。 等到下一个输入信号的下降沿到来时，上一个过程重新开始。 通过对脉冲信号计算平均值不难得到， 代入前面结论可得 其F/V变换系数为 其中Rs是R5和R6的串联值，f是输入信号频率。 注意，电路设计时，一是定时脉宽Tp必须小于输入信号周期T，二是微分电路电容要小，保证负脉冲宽度小于定时脉宽Tp，否则，得到的结果将是不准的。 注意，电路所加电源电压不能低了，由输出信号电压的最高值决定电源电压大小。 从前面讨论的F/V变换器原理可知，变换器输出的脉冲信号的脉宽是固定的，由R4的C2决定，而变换器输出的脉冲信号的频率与输入信号是相同，因此，输入信号频率越低，周期越长，脉宽在一个周期内所占比例越小，因此，通过整流滤波后输出的直流信号电压越低，输入信号频率越高，周期越短，脉宽在一个周期内所占比例越大，因此，通过整流滤波后输出的直流信号电压越高，而且是一个线性关系。这样一个电路就将频率信号转换成了电压信号，通过测量电压间接测量频率。 设计要求 10KHZ—10V变换器。即当输入脉冲信号频率为10KHZ时，；输出直流信号电压为10V；输入脉冲信号频率为9KHZ时，；输出直流信号电压为9V；输入脉冲信号频率为1KHZ时，；输出直流信号电压为1V；输入脉冲信号频率为100HZ时，；输出直流信号电压为0.1V； 根据前面理论推导结论，则符合设计要求的F/V变换系数应为0.001。 即 可取 R7 = 100K R4 = 6.8K C2 = 0.01uF 则 Rs = 14.212K， 取 R5 = 1