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LM331中文资料_中文手册_芯片中文资料_芯片中文手册.doc 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。 1 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: 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fo=(Vin×R4)/(2.09×R3×R2×C2) 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 2 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,饨拥缱鑂t、C和定时比较器、复零晶体管、R,S触发器等构成单t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f为逻辑低电平，同时，电流开关打向右边，电流源I对电容C充电。此时由于复零晶体管截止，电0RL源Vcc也通过电阻R对电容C充电。当电容C两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输ttt 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f为逻辑高电平，0同时，复零晶体管导通，电容C通过复零晶体管迅速放电;电流开关打向左边，电容C对电阻tlR放电。当电容C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LL 置位，如此反复循环，构成自激振荡。图3画出了电容C、C充放电和输出脉冲f的波形。设电容C的充电时间为t，tl0L1 放电时间为t，则根据电容C上电荷平衡的原理，我们有: 2L (I,V/R)t=tV/R RLL12LL 从上式可得: 3 f0=1/(t，t)=V/(RIt) 12LLR1 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V=V，故上式可以表示为: Lt f==V/(RIt) 0tLR1 可见，输出脉冲频率f与输入电压V成正比，从而实现了电压,频率变换。式中I由内部基准电压源供给的1.90V0iR参考电压和外接电阻R决定，I=1.90/Rs，改变R的值，可调节电路的转换增益，t由定时元件R和C决定，其关系sRs1tt是t=1.1RC，典型值R=6.8kΩ，C=0.01μF，t=7.5μs。 1tttt1 由f=V/(RIt)可知，电阻R、R、R和电容C直接影响转换结果f，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据0iLRsltt0 转换精度适当选择。电容C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l 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f经R1、C1组成的微分电路加到输入比较器的反相输i 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I对电容C充电，同时因复零晶体管截止而使电源Vcc通过电阻R对电容C充电。当电容RLttC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C通过电阻R放电，LLL同时，复零晶体管导通，定时电容C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t 复上述的工作过程。从前面的分析可知，电容C的充电时间由定时电路R、C决定，充电电流的大小由电流源IR决定，Ltt输入脉冲的频率越高，电容C上积累的电荷就越多输出电压(电容C两端的电压)就越高，实现了频率,电压的变换。LL 按照前面推导V/F表达式的方法，可得到输出电压V与f的关系为: Oi V=2.09RRCf/R Olttis 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R和电容C组成低通滤波器。电容C大些，LLL 输出电压V的纹波会小些，电容C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OL 虑。 3. 应用 4 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f输出的频率信号加到单0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。 5