电压-频率变换器LM331
LM331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。 引脚3(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。
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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。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。
当输入端Vi+输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使R-S触发器置位,输出高电平,输出驱动管导通,输出端f0为逻辑低电平,同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时,定时比较器输出一高电平,使R-S触发器复位,输出低电平,输出驱动管截止,输出端f0为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容C2通过复零晶体管迅速放电;电子开关使电容C3对电阻R3放电。当电容C3放电电压等于输入电压Vi时,输入比较器再次输出高电平,使R-S触发器置位,如此反复循环,构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比,从而实现了电压-频率变换。其输入电压和输出频率的关系为:
fo=(Vin×R4)/(2.09×R3×R2×C2) 由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0,因此对元件的精度要有一定的要求,可根据转换精度适当选择。电阻R1和电容C1组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,有利于提高转换精度。
同样,由LM331也可构成频率-电压转换电路。
LM331压频变换器的原理及应用
摘要:介绍了集成电路LM331的结构和特点,分析了V/F和F/V电路的工作原理。同时也给出了一些应用的例
子。
关键词:电压-频率变换; 频率-电压变换; LM331
1. 概述
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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。
LM331的内部电路组成如图1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。
2. 工作原理
2.1 电压—频率变换器
图2是由LM331组成的电压椘德时浠坏缏贰M饨拥缱鑂t、Ct和定时比较器、复零晶体管、R-S触发器等构成单稳定时电路。当输入端Vi+输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使R-S触发器置位,Q输出高电平,输出驱动管导通,输出端f0为逻辑低电平,同时,电流开关打向右边,电流源IR对电容CL充电。此时由于复零晶体管截止,电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct两端充电电压大于Vcc的2/3时,定时比较器输出一高电平,使R-S触发器复位,Q输出低电平,输出驱动管截止,输出端f0为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容Ct通过复零晶体管迅速放电;电流开关打向左边,电容Cl对电阻RL放电。当电容CL放电电压等于输入电压Vi时,输入比较器再次输出高电平,使R-S触发器
置位,如此反复循环,构成自激振荡。图3画出了电容Ct、Cl充放电和输出脉冲f0的波形。设电容CL的充电时间为t1,放电时间为t2,则根据电容CL上电荷平衡的原理,我们有: (IR-VL/RL)t1=t2VL/RL 从上式可得:
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f0=1/(t1+t2)=VL/(RLIRt1)
实际上,该电路的VL在很少的范围内(大约10mV)波动,因此,可认为VL=Vt,故上式可以表示为: f0==Vt/(RLIRt1)
可见,输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比,从而实现了电压-频率变换。式中IR由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接电阻Rs决定,IR=1.90/Rs,改变Rs的值,可调节电路的转换增益,t1由定时元件Rt和Ct决定,其关系是t1=1.1RtCt,典型值Rt=6.8kΩ,Ct=0.01μF,t1=7.5μs。
由f0=Vi/(RLIRt)可知,电阻Rs、Rl、Rt和电容Ct直接影响转换结果f0,因此对元件的精度要有一定的要求,可根据转换精度适当选择。电容Cl对转换结果虽然没有直接的影响。但应选择漏电流小的电容器。电阻R1和电容C1组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,有利于提高转换精度。
2.2 频率-电压变换器
由LM331构成的频率-电压转换电路如图4所示,输入脉冲fi经R1、C1组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻R2、R3分压而加有约2Vcc/3的直流电压,反相输入端经电阻R1加有Vcc的直流电压。当输入脉冲的下降沿到来时, 经微分电路R1、C1产
生一负尖脉冲叠加到反相输入端的Vcc上,当负向尖脉冲大于Vcc/3时,输入比较器输出高电平使触发器置位,此时电流开关打向右边,电流源IR对电容CL充电,同时因复零晶体管截止而使电源Vcc通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容CL两端电压达到2Vcc/3时,定时比较器输出高电平使触发器复位,此时电流开关打向左边,电容CL通过电阻RL放电,同时,复零晶体管导通,定时电容Ct迅速放电,完成一次充放电过程。此后,每当输入脉冲的下降沿到来时,电路重复上述的工作过程。从前面的分析可知,电容CL的充电时间由定时电路Rt、Ct决定,充电电流的大小由电流源IR决定,输入脉冲的频率越高,电容CL上积累的电荷就越多输出电压(电容CL两端的电压)就越高,实现了频率-电压的变换。按照前面推导V/F表达式的方法,可得到输出电压VO与fi的关系为: VO=2.09RlRtCtfi/Rs
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。这些因素在实际运用时要综合考虑。
3. 应用
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图5为由两块LM331组成的遥测电路。在人员不能进入或不易进入的场合,通过传感器将被测量转换为电压,经运算放大器放大为0~10V电压信号,由LM331进行V/F变换为脉冲信号,通过长双绞线传输到测量室,在测量室内通过光电耦合器转换为幅度稳定的脉冲电压,此脉冲电压再经LM331进行F/V变换为电压进行测量,从而可避免直接导线连接到测量室而造成的线路衰减或干扰,提高测量精度。
当前,12位以上的A/D转换器的价格仍较昂贵,用V/F变换器来代替A/D转换器,在要求速度不太高的场合是一种较好的选择。用LM331构成的A/D变换器采集系统接口电路如图6所示。从传感器来的毫伏级的电压信号经低温漂运算放大器INA101放大到0~10V后加到V/F变换器LM331的输入端,从频率输出端f0输出的频率信号加到单片机8031的输入端T1上。根据分辨率的要求利用软件(限于篇幅,程序部分略)处理,最后得到A/D转换的结果。
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