利用LM331进行频率电压转换教学教材
模拟电子技术课程设计——频率、电压转换电路的设计
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：冒佳卫学号：20111206491 引言本设计实验要求对函数发生器、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 设计目的当正弦波信号的频率f i在200Hz~2kHz范围内变化时,对应输出的直流电压V i在1~5V范围内线形变化。
1.2 设计内容设计一个频率/电压转换电路，将给定的正弦波信号的频率转化成相对应的直流电压。
设计的各部分包括：比较器、F/V转换器、反相器、反相加法器。
1.3 主要技术要求（1）输入为正弦波频率200—2000Hz; 输出为电压1—5V；（2）正弦波信号源采用函数波形发生器的输出；（3）采用±12V电源供电。
2 频率/电压转换器的总体框图设计=1~5V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V R通过反相加法器得到V o3 频率/电压转换器的功能模块设计3.1 函数信号发生器ICL8038芯片介绍3.1.1 ICL8038作用ICL 8038 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。
3.1.2 ICL8038管脚介绍图 2 ICL8038表1 引脚功能介绍3.2 比较器电路的设计过零比较器的原理过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。
5.2频率电压变换器.
5.2 频率/电压变换器本课题介绍一种频率/电压变换器的设计方法，通过本课题要求熟悉集成频率集成频率/电压变换器LM331的主要性能和典型应用，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。
一、设计要求1. 技术要求(1)当正弦波信号的频率f i在200Hz〜2kHz范围内变化时，对应输出的直流电压V在1V〜5V范围内线性变化。
(2)正弦波信号源采用函数波形发生器(参见 5.1节)。
(3)采用土12V电源供电。
2. 方案选择可供选择的方案有两种：(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)直接应用频率电压变换专用集成块LM331,其输出与输入的脉冲信号重复频率成正比。
因第2种方案的性价比较高，故本题用LM331实现。
3^ LM331的工作原理LM331的引脚排列和主要性能见附录。
LM331即可用作电压/频率转换，也可用作频率/电压转换。
LM331的原理框图如图5-2-1所示。
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。
图5-2-1 LM331原理框图该器件的工作过程(结合图5-2-1所示的波形)如图5-2-2所示其中1.90V 是LM331内部的基准电压（即②脚上的电压）。
于是得V o = 2.09^R t C t f t可见，当 眩、R 、G 、R —定时，V O 正比于f i ,显然，要使V O 与f i 之间的关系保 持精确、稳定，则应选用高精度、高稳定性的元件。
当输入负脉冲未达到 时，由于⑥脚电平〜Vcc , 高于⑦脚电平，所以 S=0 （低电平）。
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 有Vcc 经R 充电，其上电压V et 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 C L 按线性增大（因 为是恒流源对C L 充电）。
LM331 电压频率(VF)变换电路
SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700DLB700DPART NO.BLUE OVAL LAMP LEDMODEL SPECIFICATIONS[Contents]1. Devices --------------------------------------------------2. Outline Dimensions -----------------------------------3. Absolute Maximum Ratings -------------------------4. Electro-Optical Characteristics ----------------------5. Reliability Tests ----------------------------------------6. Characteristic Diagrams ------------------------------7. Bin Code Description ---------------------------------8. Packing --------------------------------------------------9. Soldering Profile ---------------------------------------10. Reference ------------------------------------------------11. Precaution For Use -------------------------------------22345689121314SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D1. DEVICESColor DiffusionSourceLensPart NumberDice SourceColorBlueInGaNDiffused Blue LB700D 2. OUTLINE DEMENSIONSNotes : 1. All dimensions are in millimeters.2. Protruded epoxy is 1.0mm maximum.1.02.5±0.05MIN28.0MIN1.0CATHODEMAX1.0DETAIL+0.2-0.00.50.5±0.055.25±0.23.75±0.17.06±0.1XYSEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D3. ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS (at T a = 25ºC)mW 125P D Power Dissipation V 5V R Reverse Voltage ºC260 ºC for 10 second 2T SSolder TemperatureºC -30 ~ 85T opr Operating Temperature mA 100I FP 1Forward Peak Pulse CurrentºC -40 ~ 100T stg Storage Temperature mA 30I F DC Forward Current UnitValueSymbolItemNotes : 1. t ≤0.1ms, D = 1/102. 3mm bellow seating planeSEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D4. ELECTRO-OPTICAL CHARACTERISTICS (at I F = 20mA, T a = 25ºC)nm 476470464λdDominant Wavelength 5--500300V 4.03.6-V F Forward Voltage µA-I RReverse Current (at V R = 5V)Max.Typ.Min.deg.100/502θ½View AngleMcd I VLuminous Intensity 1UnitValueSymbolItemNote : 1. Luminous Intensity Tolerance ±10%SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D5. RELIABILITY TESTS0/221 time 1kV, 1.5k Ω; 100pFESD(Human Body Model)0/50100cyclesT a = -40ºC (30min) ~ 100º(30min)(Transfer time : 5sec, 1Cycle = 1hr)Thermal Shock 0/22100hrsT a = 85ºC, RH = 85%I F = 8mATemperature HumidityOperating0/221000hrs T a = 85ºC, RH = 85%Temperature HumidityStorage 0/221000hrs T a = -40ºC Low TemperatureStorage 0/221000hrs T a = 100ºC High TemperatureStorage 0/220/220/220/22Failures1 time T s = 255 ±5ºC, t = 10sec Resistance to solderingHeat 1000hrs T a = 85ºC, I F = 8mA High TemperatureOperating 1000hrsT a = -30ºC, I F = 20mALow TemperatureOperating 1000hrs T a = RT, I F = 30mA Life Test NoteConditionItem< Judging Criteria For Reliability Tests >LSL 2 X 0.5I VUSL X 2.0I R USL 1X 1.2V F Notes : 1. USL : Upper Standard Level 2. LSL : Lower Standard Level.SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D6. CHARACTERISTIC DIAGRAMSI F = f (V F ),T a = 25ºCI rel = f (θ), T a = 25ºCOff Axis Angle vs. Relative Intensity Forward Voltage vs. Forward Current2.4 2.6 2.83.0 3.2 3.4 3.6110100F o r w a r d C u r r e n t I F [m A ]Forward Voltage V F [V]-100-80-60-40-200204060801000.00.20.40.60.81.0Y XR e l a t i v e L u m i n o u s I n t e n s i t yOff Axis Angle [deg.]-40-20020406080100010203040F o r w a r d C u r r e n t I F [m A ]Ambient Temperature T a [oC]I V = f (I F ),T a = 25ºCI F = f (T a ), T a = 25ºCForward Current vs. Relative Intensity Ambient Temperature vs. Forward Current0510********0.00.40.81.21.6R e l a t i v e L u m i n o u s I n t e n s i t yForward Current I F [mA]SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D-40-200204060801000.50.60.70.80.91.01.11.21.3R e l a t i v e L u m i n u o s I n t e n s i t yAmbient Temperature T a [oC]I V /I V(25C)= f (T A ), I F = 20mA4005006007000.00.51.0R e l a t i v e L u m i n o u s I n t e n s i t yWavelength [nm]I rel = f ( λd), T A = 25ºC, I F = 20mA Wavelength vs. Relative Intensity Ambient Temperature vs. Relative IntensitySEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D7. BIN CODE DESCRIPTION21TForward VoltageColor RanksIntensity BIN CODE800600U450300S 600450T Max.Min.BIN CODE Intensity (mcd) @ I F =20mA 3.23.00 4.03.843.63.42 3.83.63 3.43.21Max.Min.BIN CODE Forward Voltage (V) @ I F =20mA 47647024704641Max.Min.BIN CODE Dominant Wavelength (nm)@ I F =20mASEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D8. PACKING(1) Antistatic poly vinyl bag apply Poly bag:5φLamp Series : 500pcs 3φLamp Series : 500pcs(2) Inner box structureBox : 2 poly bags(3) Outer box structure Box : 27 boxes485.0mm260mm315.0m m70m m170mm97.0m mLX000LXXXXQTY :pcsLOT : 200X.XX.XX XXXSEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTDOOORANK1) Bulk PackingSEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D2) Tapping Outline DimensionsH oPoW 1DoW 2WW oFP0±1.30±2.0φ4.0±0.55.0±0.512.7±0.312.7±0.59.0±0.51.0±0.513.0±0.318.0 +1.0W2DoW1F Wo Po W P Ho *Package Dimensions (unit : mm )-0.5 1 Box contain quantity.* Remark : Ho -users define.∗ 3φLamp Series : 3000pcs * 5φLamp Series : 2000pcsSEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D 3) Forming Outline DimensionsDoPo PH H 1H o WW oW 1FW 2φ4.0±0.55.0±0.512.7±0.312.7±0.59.0±0.51.0±0.513.0±0.318.0 +1.0W1Do WoF WPo H1 *P Ho *W2H *Package Dimensions (unit : mm )-0.5 1 Box contain quantity.∗ 3φLamp Series : 2000pcs* 5φLamp Series : 1500pcs * Remark : H / Ho / H1-users define.SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D 9. SOLDERING PROFILE1) Wave Soldering Conditions / Profile•Preliminary heating to be at 85ºC(120 ºC max)for 20 seconds(60 seconds max).•Soldering heat to be at 235 ºC (260ºC max) for 5 seconds (10 seconds max.)•Soak time above 200 ºC is 5 seconds2) Hand Soldering conditions•Not more than 5 seconds at max. 300ºC, under Soldering iron.024681012141618202224262830323436050100150200250T e m p e r a t u r e [O C ]T im e [s ]PREHEAT 20s (30s Max)85 ºC(100 ºC max)PEAK5s (10s Max)235 ºC(260 ºC Max)Note : In case the soldered products are reused in soldering process, we don’t guarantee the products.SEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D 10. PART NUMBERING SYSTEM*8***-******L CB A 76543211) Lamp LED initial2) ColorU: Ultra Violet, B : Blue (460~490nm), C : Cyan (490~510nm)T : True Green (510~540nm), G : Yellow-Green (540~580nm)Y : Yellow (580~600nm) O : Orange (600~620nm) R : Red (620~700nm)W : WhiteM : WarmI : Infrared 3) If the products have 2 or 3chipsGR : Green + Red ( according to wavelength), FL : Full color4) Outline type1 : 3x2(square),2 : 5x2(square),3 : Phi3,5 : Phi 5 ,6 : 3Phi Oval,7 : 5Phi Oval5) Half angle1: ~14O , 2: 15~24O , 3: 25~34O , 4: 35~44O , 5 : 45~54O …0 : more than 100O6) 1st Development according to a chip7) 2nd Development (other material)D : diffused C : colored Z : zener chip attached8) Stand off typeA, B, C : Bin cord description A: IV, B: WD C: VFSEOUL SEMICONDUCTOR CO., LTD.<060712> Rev. 0.1LB700D 11. PRECAUTION FOR USE1)In order to avoid the absorption of moisture, it is recommended to store in the dry box (or desiccators) with a desiccant . 2)In case of more than 1 week passed after opening or change color of indicator on desiccant components shall be dried 10-12Hr, at 60±5℃.3)In case of supposed the components is humid, shall be dried dip-solder just before, 12Hr at 80±5℃or 10Hr at 100±5℃.4)Any mechanical force or any excess vibration shall not be accepted to apply during cooling process to normal temp. after soldering.5)Quick cooling shall not be avoid.6)Components shall not be mounted on warped direction of PCB.7)Anti radioactive ray design is not considered for the products listed here in.8)This device should not be used in any type of fluid such as water, oil, organic solvent and etc. When washing is required, IPA should be used.9)When the LEDs are illuminating, operating current should be decided after considering the ambient maximum temperature.10)LEDs must be stored to maintain a clean atmosphere. If the LEDs are stored for 3 monthsor more after being shipped from SSC, a sealed container with a nitrogen atmosphere should be used for storage.11)The LEDs must be soldered within seven days after opening the moisture-proof packing.12)Repack unused products with anti-moisture packing, fold to close any opening and then store in a dry place.13)The appearance and specifications of the product may be modified for improvementwithout notice.。
LM331资料1
摘要:本文主要介绍一种应用V/F转换器LM331实现A/D转换的电路,本电路价格低廉，外围电路简单, 适合应用在转换速度不太高的场合应用.本文包括硬件电路和软件程序的实现. 关键词:A/D转换器,V/F转换器, 高精度.引言:数据的采集与处理广泛地应用在自动化领域中,由于应用的场合不同,对数据采集与处理所要求的硬件也不相同.在控制过程中,有时要对几个模拟信号进行采集与处理,这些信号的采集与处理对速度要求不太高,一般采用AD574或ADC0809等芯片组成的A/D转换电路来实现信号的采集与模数转换，而AD574和ADC0809等A/D转换器价格较贵，线路复杂,从而提高了产品价格和项目的费用.在本文中,从实际应用出发,给出了一种应用V/F转换器LM331芯片组成的A/D转换电路，V/F转换器LM331芯片能够把电压信号转换为频率信号，而且线性度好，通过计算机处理，再把频率信号转换为数字信号，就完成了A/D转换。
它与AD574等电路相比，具有接线简单，价格低廉，转换精度高等特点，而且LM331芯片在转换过程中不需要软件程序驱动，这与AD574等需要软件程序控制的A/D转换电路相比，使用起来方便了许多。
一. 芯片简介LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集成芯片。
它是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。
LM331为双列直插式8引脚芯片，其引脚框图如图1所示。
图1 LM331逻辑框图LM331 各引脚功能说明如下:脚 1 为脉冲电流输出端,内部相当于脉冲恒流源,脉冲宽度与内部单稳态电路相同;脚 2 为输出端脉冲电流幅度调节,RS 越小,输出电流越大;脚 3 为脉冲电压输出端,OC 门结构,输出脉冲宽度及相位同单稳态,不用时可悬空或接地;脚4 为地;脚 5 为单稳态外接定时时间常数RC ;脚6 为单稳态触发脉冲输入端,低于脚7 电压触发有效,要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw ;脚7 为比较器基准电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低;脚8 为电源Vcc , 正常工作电压范围为4～40V。
LM331V
LM331V/F数据采集电路构成智能仪器模数通道一、实验目的（1）掌握V/F转换电路设计和制作，会调试V/F转换电路（2）学会将V/F转换电路组成智能仪器模数转换通道二、实验原理1. 实验电路2. 电路原理LM331V/F转换电路可作为计算机模拟电压输入通道，它将电压信号转换成脉冲频率信号,输出频率严格正比于输入电压。
通过一根I/O 口线或作为中断源,计数输入。
符合TTL标准，采用光电耦合，具有良好的抗干扰能力，适用于远距离传输。
能隙基准电路产生1.9V直流电压送到2脚,并钳位在1.9V 上。
当2脚外接RS+RS，后形成基准电流i=1.9/(RS+RS，) 。
本例i=1.9/(12k+RS，)，i max=1.9/12k=158μA，i min=112 μA。
片内输入比较器的两个输入端：7脚接输入电压V IN。
6脚为阈值电压V X并与电流输出端1脚相连。
外接R L、C L电路。
片内定时比较器两个输入端:一个在片内通过R 、2R 电阻分别与V CC 、GN D 相连；获得固定的比较电压2/3V CC 。
另一个输入端5脚接R t ,、C t 相连；.获得随C t 充电状态变化的电压V 5。
V 5与2/3V CC 比较，当C t 充电较Vc>2/3VCC 时，定时比较器使片內R-S 触发器复位。
片內R-S 触发器与定时比较器和复位晶体管以及外接R t ,、C t 构成一个单稳脉冲定时器。
.定时周期T=1.1R t ×C t 。
当输入比较器的V IN >V X 时，启动单稳脉冲定时器并导通频率输出晶体管，使3脚连接的光电耦合器导通。
同时片内开关电源导通电流i 通过1脚向C L 充电，V x 逐渐升高；当V x 上升到V IN <V x 时，定时器自行复位。
3脚输出光电耦合截止电流i 关断。
此时C L 开始通过RC 放电，直到再次V IN >V x 。
重复上述循环，在3脚输出一个脉冲频率信号。
lm331工作原理
lm331工作原理LM331是一种广泛应用于电子测量和控制系统中的精密电压频率转换器。
它采用了一个非常简单但非常有效的工作原理来实现频率和电压之间的转换。
本文将介绍LM331的工作原理及其应用。
我们来了解LM331芯片的基本结构。
LM331由一个比较器、一个电压控制振荡器和一个计数器组成。
其中，比较器用于将输入电压与内部参考电压进行比较，并产生一个脉冲信号。
电压控制振荡器则根据比较器的输出调整其输出频率，而计数器则用于计数振荡器输出的脉冲信号。
通过计数器的计数结果，我们可以得到输入电压对应的频率值。
LM331的工作原理可以简单概括为如下几个步骤：1. 输入电压与参考电压比较：LM331的输入端接收到一个待转换的电压信号，该信号与芯片内部的参考电压进行比较。
比较结果将决定振荡器的输出频率。
2. 振荡器输出调整：根据比较器的输出结果，振荡器将调整自身的输出频率。
当输入电压高于参考电压时，振荡器的输出频率增加；反之，当输入电压低于参考电压时，振荡器的输出频率减小。
3. 计数器计数：振荡器输出的脉冲信号经过计数器进行计数。
计数器记录了振荡器输出的脉冲数量，从而反映出输入电压对应的频率。
4. 频率输出：计数器的计数结果可以通过芯片的输出引脚获得。
通过读取输出引脚的电压值，我们可以得到输入电压对应的频率信息。
除了基本的工作原理之外，LM331还具有一些特殊的功能和应用。
其中包括：1. 频率范围可调：LM331可以通过外部电路调整其工作频率范围，从几赫兹到几百千赫兹不等。
这使得LM331非常适用于需要测量或控制不同范围频率的应用。
2. 高精度：由于LM331采用了精密的比较器和振荡器设计，它可以实现非常高的频率和电压转换精度。
这使得LM331在需要高精度测量或控制的系统中得到广泛应用。
3. 低功耗：尽管LM331具有高精度和可调频率范围的特点，但其功耗却非常低。
这使得LM331在需要长时间运行或依靠电池供电的应用中具有优势。
1LM331_LM331工作原理及典型应用
电压-频率变换器LM331LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片。
LM331可用作精密的频率电压（F/V）转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。
LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚如图3所示。
LM331内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。
输出管采用集电极开路形式，因此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，从而适应TTL、DTL和CMOS 等不同的逻辑电路。
此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4～40V，输出也高达40V。
IＲ（PIN1）为电流源输出端，在f０（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源ＩＲ输出对电容ＣＬ充电。
引脚2（PIN2）为增益调整，改变ＲＳ的值可调节电路转换增益的大小。
f０（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由Ｒt和Ｃt决定。
引脚4（PIN4）为电源地。
引脚5（PIN5）为定时比较器正相输入端。
引脚6（PIN6）为输入比较器反相输入端。
引脚7（PIN7）为输入比较器正相输入端。
引脚8（PIN8）为电源正端。
LM331频率电压转换器V/F变换和F/V变换采用集成块LM331，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用。
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。
同时它动态范围宽，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。
图2是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。
LM331压频转换课程设计论文
课程设计(论文)说明书设计课题：线性电压/频率变换器院（系）：电子工程与自动化专业：测控技术与仪器学生姓名：李金鹏学号： 0900820214指导教师：王月娥2012年1月11日摘要设计电压/频率变换电路，可以利用集成芯片LMx31 来实现。
其外部电压通过低通滤波输入芯片，在相应管脚接入充放电电路，在输出管脚便可输出合适的频率。
LMx31 线性度较好，不需要运放便可以实现电压频率转换，而且变换精度高。
利用专业的设计和仿真软件（如Proteus），设计并仿真U/F 变换电路。
关键词：V/F转换器；LM331芯片；高精度；外围电路；线性度；AbstractThis task is to design a line voltage/frequency converter , it mainly constitute by the LM331 chip and its external circuit, realizing the input voltage converted into a certain frequency of the oscillating circuit, it has good linearity and higher conversion precision .Key words：V/F convertor;LM331 chip; High precision; External circuit; Linearity；目录引言 (4)1 设计任务 (4)1.1 任务说明 (4)1.2 任务分析 (4)2 设计方案选择及论证 (5)2.1方案一：采用555定时器组成的压频转换电路 (5)2.2 方案二：直接由LM331及其外围电路构成压频转换器 (6)2.3方案比较和选择 (6)3 电路设计原理、参数计算及测量结果比较 (7)3.1 芯片LM331的介绍 (7)3.2 LM331组成的压频转换器及其工作原理 (8)3.3 protel绘制原理图、器件选择及参数计算 (10)3.4电路仿真 (11)3.5 实际电路板测量与数据整理 (13)3.6 本次课题的结果及结论 (15)4 组装调试 (15)4.1 电路设计的中遇到的问题与解决方法 (15)4.2 实物图 (16)5 课设总结 (16)谢辞 (17)附件一 (18)附件二 (19)附件三 (19)参考文献 (20)引言随着电子技术和计算机技术的迅速发展，集成的电压频率变换电路在电子技术、自动控制、数字仪表、通信设备、调频、锁相和模数变换等许多领域得到广泛的应用。
LM331中文资料_中文手册_芯片中文资料_芯片中文手册
LM331中文资料_中文手册_芯片中文资料_芯片中文手册电压-频率变换器LM331LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片。
LM331可用作精密的频率电压(F/V)转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。
LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚如图3所示。
LM331内部有(1)输入比较电路、(2)定时比较电路、(3)R-S触发电路、(4)复零晶体管、(5)输出驱动管、(6)能隙基准电路、(7)精密电流源电路、(8)电流开关、(9)输出保护点路等部分。
输出管采用集电极开路形式，因此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，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。
此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4,40V，输出也高达40V。
引脚1(PIN1)为电流源输出端，在f(PIN3)输出逻辑低电平时，电流源，输出对电容,充电。
,,,引脚2(PIN2)为增益调整，改变,的值可调节电路转换增益的大小。
,引脚3(PIN3)为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由,和,决定。
tt引脚4(PIN4)为电源地。
引脚5(PIN5)为定时比较器正相输入端。
引脚6(PIN6)为输入比较器反相输入端。
引脚7(PIN7)为输入比较器正相输入端。
引脚8(PIN8)为电源正端。
LM331频率电压转换器V/F变换和F/V变换采用集成块LM331，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用。
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。
同时它动态范围宽，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。
基于LM331的宽频频率_电压转换电路
图1系统结构框图分频电路F iF i1主控电路频率/电压转换电路V f1放大电路V 0*基金项目：国家自然科学基金资助项目（61162017）在智能测量系统及自适应信号处理系统中，经常需要将频率信号转换为电压信号或将电压信号转换为频率信号[1-4]。
但是由于频率/电压转换芯片自身性能的限制，所设计的频率/电压转换电路能转换的频率范围一般比较小，很难处理频率比较高的信号。
因此，为了解决这些问题，必须对频率/电压转换电路所允许输入信号的频率范围进行扩展。
现阶段实现宽频频率/电压转换电路的方法是直接利用宽频频率/电压转换芯片，例如ADI 公司生产的基于ΣΔ技术的频率/电压转换芯片AD7740、AD7741、AD652、AD654、AD650及ADVFC32等[5-6]。
但是这些芯片构成的频率/电压转换电路的允许频率范围最大也只有3MHz 左右，而且芯片的成本较高，构成的电路结构比较复杂，功耗较大。
本文提出了一种利用分频及放大原理对LM331的频率转换范围进行扩展的方法，设计了一种宽频频率/电压转换电路，解决了一般频率/电压转换芯片转换频率低的问题。
1硬件电路设计1.1系统框图基于LM331的宽频频率/电压转换电路的系统结构框图如图1所示，它由主控电路、分频电路、频率电压转换电路、放大电路四部分组成。
主控电路采用AT89S52单片机作为主控芯片；分频电路采用高速双D 型触发器、十进制同步加/减计数器、双4选1数据选择器来实现；频率/电压转换电路由频率/电压转换芯片LM331及一些电阻电容构成；放大电路由运算放大器、双向模拟开关及电阻网络来实现。
为了实现宽频频率电压转换，首先将整形后待处理信号经400分频后，由AT89S52单片机测量信号频率并选择合适的分频比，控制分频电路重新对整形后的信号基于LM331的宽频频率/电压转换电路*张维昭，马胜前，冉兴萍（西北师范大学物理与电子工程学院甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室，甘肃兰州730070）摘要：提出了一种利用分频电路和放大电路实现对LM331构成的频率/电压转换电路输入信号频率范围进行扩展的方法，实现了1kHz ～30MHz 信号的频率/电压转换。
LM331和555压频转换电路
目录摘要 (2)第一章压/频变换的目的、意义及要求 (3)1.1 压频变换的目的、意义 (3)1.2 压频变换的任务与要求 (3)第二章系统框图、方案的论证与选择 (4)2.1方案的论证与选择 (4)2.1.1 方案的论证 (4)2.1.2 方案的选择 (5)第三章电压频率转换方框原理图 (5)3.1 系统的方框图 (5)3.2 单元电路的设计 (5)3.2.1 积分电路的设计 (6)3.2.2 单稳态触发器的设计 (6)3.2.3 电子开关电路的设计 (7)3.2.4 恒流源的设计 (7)第四章电路的原理图、工作原理及参数的选择、计算 (7)4.1 电路的整体原理图 (7)4.2 电路的工作原理 (8)4.2 参数的选择、计算 (8)第五章电路的仿真 (9)第六章电路的系统框图、电路设计原理及参数计算 (11)6.1 电路的系统框图 (11)6.2 电路的设计原理及参算计算 (12)6.2. 1 LM331组成的压频转换器及其工作原理 (12)6.2. 2 电路的原理图及参数的计算 (13)第七章电路的组装与调试 (14)7.1 电路的仿真 (14)7.2 电路板的制作与焊接 (15)7.3 电路板的调试 (16)7.4 调试中出现的故障及解决的方法与技巧 (18)7.5 电路设计的优缺点及课题述心价值 (19)课设总结 (19)谢辞 (20)附件一 (21)附件二 (22)附件三 (23)参考文献 (24)摘要设计线性电压/频率转换电路，课设中使用了两种方法来设计。
第一：通过使用运算放大器和555定时器为核心器件，再利用其它外围电路来实现。
整个电路主要由积分电路模块、恒流模块、单稳态模块及电子开头模块这四个基本模块组成，本方案使用的器件价格便宜。
第二：使用LM331及其外围器件组成,该方案电路原理图结构简单，可调性强且精度高。
关键词：电压频率转换、线性、555定时器、运放、LM331第一章压/频变换的目的、意义及要求1.1 压频变换的目的、意义电压频率转换实质上是一种振荡频率随外加电压的变化而变化，通过输入电压控制输出频率，电压/频率变换电路的输出信号频率f0与输入电压成正比。
电压频率转换
2011 年 8 月 24 日
北京理工大学
宇航学院
目录：
摘要： ..................................................................................................................................................... 2
Key-word:
LM331 frequency voltage transformation filter
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北京理工大学
宇航学院
一、设计方案 （一）、电压频率转换电路
1.基于 555 定时器的电压频率转换：
通过给 NE555 增加一些器件，可以构造电压频率转换器 。电路包括 NE555 定时器 和基于 TL071 的 Miller 积分器（图 1） 。应用中输入电压为 0 到-10V，产生 0 到 1000Hz 的输出频率范围。C1 的电流为输入电压的函数：Ic=–Vin/(P1+R1)。
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北京理工大学
宇航学院
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） 。
利用LM331进行频率电压转换
. 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f i 在200Hz~2kHz 范围内变化时,对应输出的直流电压V i 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. 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.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 CCv ctV 0v CLp-pVCC1st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R t 充电，其上电压V Ct 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f i 成正比。
lm331的原理及应用
lm331的原理及应用1. lm331概述lm331是一种精密电压频率转换器，主要用于将一个输入电压转换为与输入电压成比例的输出频率。
它是一款广泛应用于模拟和数模转换电路中的集成电路，具有精度高、性能稳定的特点。
2. lm331的工作原理lm331是一种基于电压控制振荡器原理的集成电路。
其内部集成了一个比较器、锁相环以及电压控制振荡器等功能，通过对输入电压进行采样和比较，控制输出频率与输入电压成比例的关系。
具体的工作原理如下： 1. 输入电压通过比较器与内部的参考电压进行比较，得到一个脉冲信号作为锁相环的输入信号。
2. 锁相环通过检测输入信号的边沿跳变来实现对输入信号频率的测量。
3. 锁相环输出一个稳定的参考频率信号，并与输入信号进行比较。
4. 通过锁相环调整电压控制振荡器的频率，使其输出频率与输入电压成比例的关系。
3. lm331的应用领域lm331广泛用于各种需要将输入电压转换为频率信号的应用中。
以下为lm331的几个常见应用领域：3.1 频率测量lm331可以将输入电压转换为与输入电压成比例的频率输出，因此在频率测量领域具有广泛的应用。
例如，在仪器仪表中，lm331可以用于测量电压、电流、温度等参数的频率，并通过频率信号提供给显示器或者其他处理电路进行处理和显示。
3.2 波形发生器由于lm331可以实现将输入电压转换为频率信号的功能，因此可以作为波形发生器的核心部件。
通过调节输入电压，lm331可以输出不同频率的信号，从而生成各种波形，如正弦波、方波、三角波等。
3.3 模拟信号数字化在模拟信号数字化的过程中，lm331可以将模拟信号转换为数字信号的频率表示。
这在一些需要将模拟信号进行数字处理的应用中非常有用，如数据采集、声音处理等领域。
3.4 频率合成lm331也可以用于频率合成的应用中。
通过将多个lm331串联或并联，可以实现多个频率的合成输出。
这在一些需要多频率信号的应用中具有重要的意义，如通信系统、信号发生器等。
LM331
LM331LM331作为一种廉价、高性能的V/f变换器，与单片机接口简单灵活，信号可输入到单片机任一根I/O口线、中断源入口或计数输入端。
但LM331本身的外围电路较复杂，如果各元件选配不当，在应用过程中，外围电路较复杂，如果各元件选配不当，在应用过程中，可能出现诸如频率输出饱和或者突然截止、误差太大等问题，而导致这些问题的因素往往为调试者所忽略，所以有必要从LM331的工作原理入手进行以下探讨。
1、各引脚的排列、名称、功能和用法LM331有圆形NS-H08C8引脚、标准双列直播式8引脚DIP-8和小型双列表面贴装式14引脚SOIC-14三种封装，表6-4给出了各引脚号对照。
表6-4LM331的引脚名称、功能和用法引脚号符号名称功能或用法1CO电流输出端使用中，通过一个电阻与电容的并联网络接地或用作V/f变换时与引脚6相连，接一个电阻与电容的并联网络到给定电压设定端。
（见图6-16）2IREF参考电流输入端通过一个可调电阻接地，该可调电阻设定内部的工作电流，所以电阻要采用稳定的无感电阻，其温漂更小。
3fO频率输出端用作V/f变换器时该端接地，用作V/f变换器时，该端通过一个电阻接VS或单独的输出电源后作为频率输出端4GND地端作为整个系统工作地端，使用中与VCC地相连5R/C定时比较器时间设置端分别通过一个电阻和电容接VS地端6THS输入比较器门坎设置端用法参见引脚1是说明7CI同相输入比较器的输入端使用中，用作V/f变换器时，通过一个电容接地，同时通过一个电阻接输入电压；用作f / V变换时，通过一个电阻接VCC的同时，通过一个电容接输入频率f1 8VS工作电源端接用户提供的正工作电源，为抗干扰，应通过一个去耦网络到地2、内部结构和工作原理LM331的内部结构和工作原理框图如图6-14所示。
它包括以下几个部分：1）由基电源、精密电流镜M、电流开关SW、电流泵Vt和A3等组成开关恒流源。
其功能是向各个电路单独提供偏置电流，在引脚2（IREF）产生稳定的1.90V电压，以及在RS触发器D的控制下，给引脚1（CO）提供基准电流I=IS=1.90/RS。
LM331压频变换器英文数据手册
LM231A/LM231/LM331A/LM331Precision Voltage-to-Frequency ConvertersGeneral DescriptionThe LM231/LM331family of voltage-to-frequency converters are ideally suited for use in simple low-cost circuits for analog-to-digital conversion,precision frequency-to-voltage conversion,long-term integration,linear frequency modula-tion or demodulation,and many other functions.The output when used as a voltage-to-frequency converter is a pulse train at a frequency precisely proportional to the applied in-put voltage.Thus,it provides all the inherent advantages of the voltage-to-frequency conversion techniques,and is easy to apply in all standard voltage-to-frequency converter appli-cations.Further,the LM231A/LM331A attain a new high level of accuracy versus temperature which could only be at-tained with expensive voltage-to-frequency modules.Addi-tionally the LM231/331are ideally suited for use in digital systems at low power supply voltages and can provide low-cost analog-to-digital conversion in microprocessor-controlled systems.And,the frequency from a battery powered voltage-to-frequency converter can be easily channeled through a simple photoisolator to provide isolation against high common mode levels.The LM231/LM331utilize a new temperature-compensated band-gap reference circuit,to provide excellent accuracyover the full operating temperature range,at power supplies as low as 4.0V.The precision timer circuit has low bias cur-rents without degrading the quick response necessary for 100kHz voltage-to-frequency conversion.And the output are capable of driving 3TTL loads,or a high voltage output up to 40V,yet is short-circuit-proof against V CC .Featuresn Guaranteed linearity 0.01%maxn Improved performance in existing voltage-to-frequency conversion applicationsn Split or single supply operation n Operates on single 5V supplyn Pulse output compatible with all logic formsn Excellent temperature stability,±50ppm/˚C max n Low power dissipation,15mW typical at 5Vn Wide dynamic range,100dB min at 10kHz full scale frequencyn Wide range of full scale frequency,1Hz to 100kHz n Low costTypical ApplicationsTeflon ®is a registered trademark of DuPontDS005680-1*Use stable components with low temperature coefficients.See Typical Applications section.**0.1µF or 1µF,See “Principles of Operation.”FIGURE 1.Simple Stand-Alone Voltage-to-Frequency Converterwith ±0.03%Typical Linearity (f =10Hz to 11kHz)June 1999LM231A/LM231/LM331A/LM331Precision Voltage-to-Frequency Converters©1999National Semiconductor Corporation Absolute Maximum Ratings(Note1)If Military/Aerospace specified devices are required,please contact the National Semiconductor Sales Office/ Distributors for availability and specifications.LM231A/LM231LM331A/LM331 Supply Voltage40V40VOutput Short Circuit to Ground Continuous ContinuousOutput Short Circuit to V CC Continuous ContinuousInput Voltage−0.2V to+V S−0.2V to+V ST MIN T MAX T MIN T MAX Operating Ambient Temperature Range−25˚C to+85˚C0˚C to+70˚CPower Dissipation(P D at25˚C)and Thermal Resistance(θjA)(N Package)P D 1.25W 1.25WθjA100˚C/W100˚C/W Lead Temperature(Soldering,10sec.)Dual-In-Line Package(Plastic)260˚C260˚CESD Susceptibility(Note4)N Package500V500VElectrical CharacteristicsT A=25˚C unless otherwise specified(Note2)Parameter Conditions Min Typ Max Units VFC Non-Linearity(Note3) 4.5V≤V S≤20V±0.003±0.01%Full-ScaleT MIN≤T A≤T MAX±0.006±0.02%Full-Scale VFC Non-Linearity V S=15V,f=10Hz to11kHz±0.024±0.14%Full-In Circuit of Figure1Scale Conversion Accuracy Scale Factor(Gain)V IN=−10V,R S=14kΩLM231,LM231A0.95 1.00 1.05kHz/V LM331,LM331A0.90 1.00 1.10kHz/V Temperature Stability of Gain T MIN≤T A≤T MAX,4.5V≤V S≤20VLM231/LM331±30±150ppm/˚C LM231A/LM331A±20±50ppm/˚C Change of Gain with V S 4.5V≤V S≤10V0.010.1%/V10V≤V S≤40V0.0060.06%/V Rated Full-Scale Frequency V IN=−10V10.0kHz Gain Stability vs Time T MIN≤T A≤T MAX±0.02%Full-(1000Hrs)Scale Overrange(Beyond Full-Scale)Frequency V IN=−11V10% INPUT COMPARATOROffset Voltage±3±10mV LM231/LM331T MIN≤T A≤T MAX±4±14mV LM231A/LM331A T MIN≤T A≤T MAX±3±10mV Bias Current−80−300nA Offset Current±8±100nA Common-Mode Range T MIN≤T A≤T MAX−0.2V CC−2.0V TIMERTimer Threshold Voltage,Pin50.630.6670.70x V S Input Bias Current,Pin5V S=15VAll Devices0V≤V PIN5≤9.9V±10±100nA LM231/LM331V PIN5=10V2001000nA LM231A/LM331A V PIN5=10V200500nA2Electrical Characteristics(Continued)T A=25˚C unless otherwise specified(Note2)Parameter Conditions Min Typ Max Units TIMERV SAT PIN5(Reset)I=5mA0.220.5V CURRENT SOURCE(Pin1)Output Current R S=14kΩ,V PIN1=0LM231,LM231A126135144µA LM331,LM331A116136156µA Change with Voltage0V≤V PIN1≤10V0.2 1.0µA Current Source OFF LeakageLM231,LM231A,LM331,LM331A0.0210.0nA All Devices T A=T MAX 2.050.0nA Operating Range of Current(Typical)(10to500)µA REFERENCE VOLTAGE(Pin2)LM231,LM231A 1.76 1.89 2.02V DC LM331,LM331A 1.70 1.89 2.08V DC Stability vs Temperature±60ppm/˚C Stability vs Time,1000Hours±0.1% LOGIC OUTPUT(Pin3)V SAT I=5mA0.150.50VI=3.2mA(2TTL Loads),T MIN≤T A≤T MAX0.100.40V OFF Leakage±0.05 1.0µA SUPPLY CURRENTLM231,LM231A V S=5V 2.0 3.0 4.0mA LM331,LM331A V S=40V 2.5 4.0 6.0mAV S=5V 1.5 3.0 6.0mAV S=40V 2.0 4.08.0mA Note1:Absolute Maximum Ratings indicate limits beyond which damage to the device may occur.DC and AC electrical specifications do not apply when operating the device beyond its specified operating conditions.Note2:All specifications apply in the circuit of Figure4,with4.0V≤V S≤40V,unless otherwise noted.Note3:Nonlinearity is defined as the deviation of f OUT from V IN x(10kHz/−10V DC)when the circuit has been trimmed for zero error at10Hz and at10kHz,over the frequency range1Hz to11kHz.For the timing capacitor,C T,use NPO ceramic,Teflon®,or polystyrene.Note4:Human body model,100pF discharged through a1.5kΩresistor.3Functional Block DiagramDS005680-2 Pin numbers apply to8-pin packages only.FIGURE2.4Typical Performance Characteristics(All electrical characteristics apply for the circuit of Figure4,unless otherwise noted.)Nonlinearity Erroras Precision V-to-FConverter(Figure4)DS005680-25Nonlinearity ErrorDS005680-26Nonlinearity Error vs PowerSupply VoltageDS005680-27Frequency vs TemperatureDS005680-28V REF vs TemperatureDS005680-29Output Frequency vsV SUPPLYDS005680-30100kHz Nonlinearity Error (Figure5)DS005680-31Nonlinearity Error(Figure1)DS005680-32Input Current(Pins6,7)vsTemperatureDS005680-33 5Typical Performance Characteristics(Continued)Typical ApplicationsPRINCIPLES OF OPERATION OF A SIMPLIFIED VOLTAGE-TO-FREQUENCY CONVERTERThe LM231/331are monolithic circuits designed for accu-racy and versatile operation when applied as voltage-to-frequency (V-to-F)converters or as frequency-to-voltage (F-to-V)converters.A simplified block diagram of the LM231/331is shown in Figure 3and consists of a switched current source,input comparator,and 1-shot timer.The operation of these blocks is best understood by going through the operating cycle of the basic V-to-F converter,Figure 3,which consists of the simplified block diagram of the LM231/331and the various resistors and capacitors con-nected to it.The voltage comparator compares a positive input voltage,V1,at pin 7to the voltage,V x ,at pin 6.If V1is greater,the comparator will trigger the 1-shot timer.The output of the timer will turn ON both the frequency output transistor and the switched current source for a period t =1.1R t C t .During this period,the current i will flow out of the switched current source and provide a fixed amount of charge,Q =i x t,into the capacitor,C L .This will normally charge V x up to a higher level than V1.At the end of the timing period,the current i will turn OFF,and the timer will reset itself.Now there is no current flowing from pin 1,and the capacitor C L will be gradually discharged by R L until V x falls to the level of V1.Then the comparator will trigger the timer and start an-other cycle.The current flowing into C L is exactly I AVE =i x (1.1xR t C t )x f,and the current flowing out of C L is exactly V x /R L ≅V IN /R L .If V IN is doubled,the frequency will double to maintain this balance.Even a simple V-to-F converter can provide a fre-quency precisely proportional to its input voltage over a wide range of frequencies.DETAIL OF OPERATION,FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM (Figure 2)The block diagram shows a band gap reference which pro-vides a stable 1.9V DC output.This 1.9V DC is well regulated over a V S range of 3.9V to 40V.It also has a flat,low tem-perature coefficient,and typically changes less than 1⁄2%over a 100˚C temperature change.The current pump circuit forces the voltage at pin 2to be at 1.9V,and causes a current i =1.90V/R S to flow.For R s =14k,i =135µA.The precision current reflector provides a current equal to i to the current switch.The current switch switches the current to pin 1or to ground depending on the state of the R S flip-flop.The timing function consists of an R S flip-flop,and a timer comparator connected to the external R t C t network.When the input comparator detects a voltage at pin 7higher than pin 6,it sets the R S flip-flop which turns ON the current switch and the output driver transistor.When the voltage at pin 5rises to 2⁄3V CC ,the timer comparator causes the R S flip-flop to reset.The reset transistor is then turned ON and the current switch is turned OFF.However,if the input comparator still detects pin 7higher than pin 6when pin 5crosses 2⁄3V CC ,the flip-flop will not be reset,and the current at pin 1will continue to flow,in its at-tempt to make the voltage at pin 6higher than pin 7.ThisPower Drain vs V SUPPLYDS005680-34Output Saturation Voltage vs I OUT (Pin 3)DS005680-35Nonlinearity Error,Precision F-to-V Converter (Figure 7)DS005680-36DS005680-4FIGURE 3.Simplified Block Diagram of Stand-AloneVoltage-to-Frequency Converter andExternal Components 6Typical Applications(Continued)condition will usually apply under start-up conditions or in the case of an overload voltage at signal input.It should be noted that during this sort of overload,the output frequency will be0;as soon as the signal is restored to the working range,the output frequency will be resumed.The output driver transistor acts to saturate pin3with an ON resistance of about50Ω.In case of overvoltage,the output current is actively limited to less than50mA.The voltage at pin2is regulated at1.90V DC for all values of i between10µA to500µA.It can be used as a voltage ref-erence for other components,but care must be taken to en-sure that current is not taken from it which could reduce the accuracy of the converter.PRINCIPLES OF OPERATION OF BASIC VOLTAGE-TO-FREQUENCY CONVERTER(Figure1)The simple stand-alone V-to-F converter shown in Figure1 includes all the basic circuitry of Figure3plus a few compo-nents for improved performance.A resistor,R IN=100kΩ±10%,has been added in the path to pin7,so that the bias current at pin7(−80nA typical)will cancel the effect of the bias current at pin6and help provide minimum frequency offset.The resistance R S at pin2is made up of a12kΩfixed resis-tor plus a5kΩ(cermet,preferably)gain adjust rheostat.The function of this adjustment is to trim out the gain tolerance of the LM231/331,and the tolerance of R t,R L and C t.For best results,all the components should be stable low-temperature-coefficient components,such as metal-film resistors.The capacitor should have low dielectric absorp-tion;depending on the temperature characteristics desired, NPO ceramic,polystyrene,Teflon or polypropylene are best suited.A capacitor C IN is added from pin7to ground to act as a filter for V IN.A value of0.01µF to0.1µF will be adequate in most cases;however,in cases where better filtering is required,a1µF capacitor can be used.When the RC time constants arematched at pin6and pin7,a voltage step at V IN will causea step change in f OUT.If C IN is much less than C L,a step atV IN may cause f OUT to stop momentarily.A47Ωresistor,in series with the1µF C L,is added to givehysteresis effect which helps the input comparator providethe excellent linearity(0.03%typical).DETAIL OF OPERATION OF PRECISION V-TO-FCONVERTER(Figure4)In this circuit,integration is performed by using a conven-tional operational amplifier and feedback capacitor,C F.When the integrator’s output crosses the nominal thresholdlevel at pin6of the LM231/331,the timing cycle is initiated.The average current fed into the op amp’s summing point(pin2)is i x(1.1R t C t)x f which is perfectly balanced with−V IN/R IN.In this circuit,the voltage offset of the LM231/331input comparator does not affect the offset or accuracy of theV-to-F converter as it does in the stand-alone V-to-F con-verter;nor does the LM231/331bias current or offset cur-rent.Instead,the offset voltage and offset current of the op-erational amplifier are the only limits on how small the signalcan be accurately converted.Since op amps with voltage off-set well below1mV and offset currents well below2nA areavailable at low cost,this circuit is recommended for best ac-curacy for small signals.This circuit also responds immedi-ately to any change of input signal(which a stand-alone cir-cuit does not)so that the output frequency will be anaccurate representation of V IN,as quickly as2output pulses’spacing can be measured.In the precision mode,excellent linearity is obtained be-cause the current source(pin1)is always at ground potentialand that voltage does not vary with V IN or f OUT.(In thestand-alone V-to-F converter,a major cause of non-linearityis the output impedance at pin1which causes i to change asa function of V IN).The circuit of Figure5operates in the same way as Figure4,but with the necessary changes for high speed operation. 7Typical Applications(Continued)DS005680-5*Use stable components with low temperature coefficients.See Typical Applications section.**This resistor can be5kΩor10kΩfor V S=8V to22V,but must be10kΩfor V S=4.5V to8V.***Use low offset voltage and low offset current op amps for A1:recommended type LF411AFIGURE4.Standard Test Circuit and Applications Circuit,Precision Voltage-to-Frequency Converter 8Typical Applications(Continued)DETAILS OF OPERATION,FREQUENCY-TO-VOLTAGE CONVERTERS(Figure6and Figure7)In these applications,a pulse input at f IN is differentiated by a C-R network and the negative-going edge at pin6causes the input comparator to trigger the timer circuit.Just as with a V-to-F converter,the average current flowing out of pin1is I AVERAGE=i x(1.1R t C t)x f.In the simple circuit of Figure6,this current is filtered in the network R L=100kΩand1µF.The ripple will be less than10 mV peak,but the response will be slow,with a0.1second time constant,and settling of0.7second to0.1%accuracy.In the precision circuit,an operational amplifier provides a buffered output and also acts as a2-pole filter.The ripple will be less than5mV peak for all frequencies above1kHz,and the response time will be much quicker than in Figure6. However,for input frequencies below200Hz,this circuit will have worse ripple than Figure6.The engineering of the filter time-constants to get adequate response and small enough ripple simply requires a study of the compromises to be made.Inherently,V-to-F converter response can be fast,but F-to-V response can not.DS005680-6*Use stable components with low temperature coefficients.See Typical Applications section.**This resistor can be5kΩor10kΩfor V S=8V to22V,but must be10kΩfor V S=4.5V to8V.***Use low offset voltage and low offset current op amps for A1:recommended types LF411A or LF356.FIGURE5.Precision Voltage-to-Frequency Converter,100kHz Full-Scale,±0.03%Non-Linearity9Typical Applications(Continued)DS005680-7*Use stable components with low temperature coefficients.FIGURE6.Simple Frequency-to-Voltage Converter,10kHz Full-Scale,±0.06%Non-LinearityDS005680-8*Use stable components with low temperature coefficients.FIGURE7.Precision Frequency-to-Voltage Converter,10kHz Full-Scale with2-Pole Filter,±0.01%Non-Linearity MaximumLight Intensity to Frequency ConverterDS005680-9*L14F-1,L14G-1or L14H-1,photo transistor(General Electric Co.)or similarTemperature to Frequency ConverterDS005680-1010Typical Applications(Continued)Long-Term Digital Integrator Using VFCDS005680-11Basic Analog-to-Digital Converter UsingVoltage-to-Frequency ConverterDS005680-12Analog-to-Digital Converter with MicroprocessorDS005680-13Remote Voltage-to-Frequency Converter with 2-Wire Transmitter and ReceiverDS005680-1411Typical Applications(Continued)Voltage-to-Frequency Converter with Square-Wave Output Using÷2Flip-FlopDS005680-15Voltage-to-Frequency Converter with IsolatorsDS005680-16Voltage-to-Frequency Converter with IsolatorsDS005680-17 12Typical Applications(Continued)Connection Diagram Voltage-to-Frequency Converter with IsolatorsDS005680-18Voltage-to-Frequency Converter with IsolatorsDS005680-19Dual-In-Line PackageDS005680-21Order Number LM231AN,LM231N,LM331AN,or LM331NSee NS Package Number N08E13Schematic DiagramD S 005680-22 14Physical Dimensions inches(millimeters)unless otherwise notedLIFE SUPPORT POLICYNATIONAL’S PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORT DEVICES OR SYSTEMS WITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT AND GENERAL COUNSEL OF NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION.As used herein:1.Life support devices or systems are devices orsystems which,(a)are intended for surgical implantinto the body,or(b)support or sustain life,andwhose failure to perform when properly used inaccordance with instructions for use provided in thelabeling,can be reasonably expected to result in asignificant injury to the user.2.A critical component is any component of a lifesupport device or system whose failure to performcan be reasonably expected to cause the failure ofthe life support device or system,or to affect itssafety or effectiveness.National SemiconductorCorporationAmericasTel:1-800-272-9959Fax:1-800-737-7018Email:support@National SemiconductorEuropeFax:+49(0)180-5308586Email:europe.support@Deutsch Tel:+49(0)180-5308585English Tel:+49(0)180-5327832Français Tel:+49(0)180-5329358Italiano Tel:+49(0)180-5341680National SemiconductorAsia Pacific CustomerResponse GroupTel:65-2544466Fax:65-2504466Email:sea.support@National SemiconductorJapan Ltd.Tel:81-3-5639-7560Fax:81-3-5639-7507 Dual-In-Line Package(N)Order Number LM231AN,LM231N,LM331AN,or LM331NNS Package N08ELM231A/LM231/LM331A/LM331PrecisionVoltage-to-FrequencyConverters National does not assume any responsibility for use of any circuitry described,no circuit patent licenses are implied and National reserves the right at any time without notice to change said circuitry and specifications.。
模电课设频率-电压转换器电路
目录一.电路设计 (1)1.1设计方案选择 (1)1.2电路主要框图 (1)1.3设计 (1)1.4电路原理 (2)二.部分电路设计 (2)2.1比较器 (2)2.2频率-电压转化器 (4)2.3反相器 (7)2.4反相加法器 (8)3........................................................................................................................................... 总体电路图 .. (10)4........................................................................................................................................... 测试数据 (11)5........................................................................................................................................... 心得体会及问题 (11)5.1心得 (11)5.2问题及不足 (12)6........................................................................................................................................... 元件清单 (13)7........................................................................................................................................... 所用器件介绍. (13)7.1 比较器LM339 (13)7.2F/V 转换器LM331 (16)7.3反相器/反相加法器OP07 (18).电路设计1.1设计方案选择本组本次设计共有两个供选方案。
频率电压变换器
频率电压变换器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�D�D频率转换（VFC）可用作频率�D�D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5-1-26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。
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.ffff5.1 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f i 在200Hz~2kHz 范围内变化时,对应输出的直流电压V i 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. 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++5671sQTC tR tV CC 2/3V CC9/10V CCs置“1”端置“0”端RR LC L-V 0fi 图5-1-1+V CCQ+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 CCv ctt1.1R t Ctt0V 0v CLt3.5v p-pVCC1/f it1st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R t 充电，其上电压V Ct 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f i 成正比。
C L 的平均充电电流为i ×（1.1R t C t ）×f i 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 ）×f i ×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 SLo f C R R R 09.2V = 可见，当R S 、R t 、C t 、R L 一定时，V o 正比于f i ，显然，要使V o 与f i 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f i ，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。
2．LM331用作FVC 的典型电路LM331用作FVC 的电路如图5-1-3所示。
10K10KR XR t 6.8K0.01100K1012K22K{R Sf i470p12345678LM331lo图5-1-3++V CCmA2.02V R CC x -=在此，V CC =12V所以 R x =50k Ω取 R x =51 k Ωi t t SLo f C R R R 09.2V 取 R S =14.2 k Ω 则 V o =f i ×10 –3V由此得V o 与f i 在几个特殊 频率上的对应关系如表5-1-1所示。
表5-1-1 V o 和fi 的 关系 Fi(Hz) 200 650 1100 1551 2000 V o(V) 0.20.651.11.552.0图5-1-3中f i 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f i 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V R图5-1-4V 0=1~5V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V R 通过反相加法器得到符合技术要求的V o 。
整机电路如5-1-5所示。
{ICL803810k100k100k10k10k10k1041042236.2k6.2k1k10k10u10k100k10k101010k 1.8k470p12k2k10k51k106.8k0.0110100k 51k100k9k4.7k20k 20k1k10k15k 12345678910111223467+--+4871267851323+2476423-+746R 1R 2R X C 2C 3C 1C 5C 43+V CC-V EEV 010R SR 3R w1R LR 5A741LM311LM331OP07OP07（2个18k并联）R 9R tR 4R 5R 8R w2R 10R 11R 6C L C t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。
23451k 67100kR 4R L100kV CC+V CC-V EE V o1V i1R 5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R L =100k Ω（见图5-1-3），所以反相器的输入电阻应为100 k Ω，因而取R L =100。
反相器的A u =-1，所以 R 4=R L =100 k Ω平衡电阻R 5=R L //R 4=50 k Ω 取 R 5=51 k Ω。
○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。
23467R 10R 6V o3+V CC-V EEV oV RR 11图5-1-7OP07R 9R 9103o 610o V R RV R R V --= 已知V o3= -V o2= -f i ×10-3V ∵R 9103i 610o V R R10f R R V -⨯=- 技术要求f i =200Hz 时，V o =1V f i =2000Hz 时，V o =5V 即V )450f95(450f 250V i i o +=+=（2）对照⑴式和⑵式，可见应有 V 95V R R R 910=-若取R 10=R 9=20 k Ω，则V R = -95V 450f10f R R i 3i 610=⨯- ∴R 6=9k Ω，用两个18 k Ω电阻并联获得。
平衡电阻R 11≈R 11//R 6//R 9=4.7 k Ω。
参考电压V R 可用电阻网络从-12V 电源电压分压获取，如图5-1-8所示。
-12VR W210k15kR 7V RR 920kR 81k图5-1-895)R //R (R R R //R V 9872W 98R =++=若取 R 8=1k Ω，则R 8//R 9=0.952 k Ω R w2+R 7=19.6 k Ω 取 R 7= 15 k ΩR w2用10 k Ω电位器。
图5-1-5中的 C 2、C 3、C 4、C 5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。
R 10R 6V o3+V CC-V EEV oV RR 11图5-1-9A741+-R 9设f i =200Hz 时为V o3，要求V o1=1V ，则f i =2000Hz 时为10V o3要求V o =5V)R RV R R V (V 910R 6103o o +-==+-)R RV R R V (910R 6103o 1（1）=+-)R RV R R V (910R 6103o 5（2）（1）-（2）：94R R V 4R R V 96103o 6103o -=→-= （3）（1）⨯10-（2）：95R R V 5R R V 9910R 910R -=→=- （4）由⑷，若取V R = -1V ，则95R R 910=，取定一个电阻就可确定另一个。
即 若取V 95V R -=，则R 10=R 9，取定R 10、R 9。
知道R 10，则由⑶根据V o3大小，可确定R 6。
设V i3= -0.2V ，则920R R 610=， 从而得106R 209R =。
四、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。
V i1应为直流电平≈0，幅度≈0.22V CC 的正弦波。
V o1应为单极性的正方波，幅度≈V CC 。
V i2应为直流电平≈V CC 的正负脉冲。
V o2应为正直流电压，V o3应为负直流电压，V O 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f i 调到200Hz 。
此时 V o2=0.2V 。
否则调整R w1。
V o3= -0.2V 。
否则调整R 4。
V R 应= -5/9V 。
否则调整R w2。
V o应=1V。
否则分别检查V R、V o3产生的输入。
V R产生的输出-应为VR。
否则调整R9。
V o3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V o2、V o3、V R、V o，应基本符合表5-1-2中的值。
表5-1-2 有关点直流电压与f i的关系f i（Hz）200 650 1100 1550 2000V o2（V）0.2 0.65 1.1 1.55 2.0V o3（V）-0.2 -0.65 -1.1 -1.55 -2.0V R（V）-5/9 -5/9- -5/9 -5/9 -5/9V o（V） 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0五、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。