LM331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 LM331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、
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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。 2）输入比较器A1。其输入端引脚7（CI）接输入电压VIS，引脚6（THS）为阀值电压VX，通常与引脚1（CO）相连，并外接RL、CL。当VX
2VCC/3时，A2输出高电平。 4）晶体管V2、V3组成的输出驱动和保护电路。它将D的Q端引到输出端引脚3（fo），Q为高电平时，V3为低电平。 V/f变换的实现关键在于A1、A2如何根据它们输入端电压的变化，从而周期性地控制AT的翻转，在输出端产生一定频率的方波。RS触发器的真值表见表6-6。 表6-6控制D翻转的RS触发器真值表 RSQ 00不变 011 100 11不定 假定某一时刻V3<2VCC/3，VXVIN。这时A1输出低电平，即有S=0，R=0，但Q不变，C1仍处于充电状态，Vx继续上升。直到Vs上升到2Vcc/3时，A2输出高电平，使R=1，因此有： ①Q=0，V1=1 ②Q=0。使V1导通，Cr上的电荷通过V1放掉，迅速使VS<2Vcc/3，定时器复位，R=0。 ③电流开关SW断开，CL通过RL放电，VX逐渐下降。当VX2VCC/3。这时A2输出高电平，即有S=1、R=1，在这种状态下，Q是不定的，定时器不会被复位，CL也将继续被充电，达到Vx>VIN后，即进入情况1的正常状态。 1、主要设计特点和电参数限制 （1）主要设计特点 1）动态范围宽。 2）非线性失真小。 3）工作频率范围宽。 4）外接元器件少。 5）变换精度高。 6）可用作f/V变换器，亦可用作V/f变换器。 （2）主要电参数和限制 1）最大非线性失真：0.01% 2）工作频率最低值fmin:0.1Hz 3)工作电源电压VDD：4~40V 4）工作温度范围TA：0~70ºC 5）功耗PD：500mW 4、应用技术 （1）典型应用电路图6-16给出了LM331用作V/f变换的最基本电路。其中RS2用来调节输出频率，该电路的误差典型值为±0.03%，输入电压VIN为0~10V，输出频率范围为0~10kHz。按照图中元件的取值，得 four=RsV1N2.09RLCTRT =(12-17)×1032.09×100×0.01×6.8 VIN 调节RS2可使four=VIN×103，即IV的电压输入对应1kHz的频率输出。表6-7是按照图6-16的参数配置所得的一组实验数据。 表6-7输入电压与输出频率的关系 VIN/V01.002.003.004.005.00 four/kHz0.0031.002.003.003.994.99 VIN/V6.007.008.009.0010.00 four/kHz5.986.968.008.9910.02 （2）电路调试应用中应注意的问题 1）频率输出饱和：如果要将满量程时的four调到50kHz，从前公式上看似乎调节RL、RT、CL、CR都可达到目的，但事实却非如此，例如，只将RS放大5倍（约70kΩ），虽然满足four=5VIN×103，但表6-8的数据却表明VIN上升到2.50V以上后，频率输出就饱和了。用示波器观测可发现，随着VIN的变化，输出波形占空比也在变化（见图6-17），但一个周期中低电平的时间t2却总为70多µs，只是高电平的时间t1随着VIS的上升而下降。由前面的原理分析可知： t1=to=1.1R1C1=1.1×6.8×103×0.01µs =74.8µs 即使tz减少到接近0，最大输出频率也只有fmsx=1/t1-1/74.8MHz=13.4kHz 这就是问题的症结所在。因此要提高最大输出频率，首先要降低to。取Rr=910Ω，Cr-0.01µF,RL=100kΩ,RS2用10kHz的频率输出。实验数据见表6-9。 2）频率输出截止：在输入电压VIN有大的阶跃时，输出频率会突然变为零，随后由恢复正常。产生这种现象的原因，是由于LM331进入前面所述的情况2下的非正常状态，等输入电压稳定后，由会恢复频率的输出，解决这个问题的办法是在输入端引脚7加上滤波电路，电阻R1=100kΩ，以使引脚7的偏流抵引脚6偏流的影响；电容C1用于输入电压的滤波，一般取值为0.01~0.1µF，但在滤波要求较高时可用1µF的电容。当引脚6、7间的RC时间常数匹配时，VIN的阶跃变化将引起输出频率的阶跃变化。 表6-9提高输出频率的实验数据 VIN/V01.002.003.004.005.00 four/kHz0.0035.009.9714.9720.025.0 VIN/V6.007.008.009.0010.00 four/kHz31.234.640.044.449.5 3）其他一些应注意的问题：为了保证V/f变换精度，LM331外围电路中所用的阻容元件应为温漂系数低的稳定器件，如金属膜电阻和绝缘介质高的聚苯乙烯或聚丙烯电容。 47Ω的电阻与1µF的C1串联可产生滞后效应，使输入比较器获得良好的线性度。可调电阻RA用于失调误差的调节。由于引脚3是集电极开路输出，故要加一个10kΩ的上拉电阻。 应说明的是，对上述LM331作V/f电路，调试中输出频率饱和、截止等问题是可以解决的，其方法原理也可用于类似的更高精度的V/f电路或其他应用电路的调试中。 （3）用作f /V变换器，由LM331构成的f /V变换电路如图6-18所示，输入脉冲f1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产生一个负尖脉冲叠加到反相输入端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，同时因复零晶体截止而使电源VCC通过电阻Rr对电容Cr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Cr通迅速放电，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Rr、Cr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f/V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fIN的关系为 VO=2.09RLRTCTfIN/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C1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。
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