1、LM331 压频变换器的原理及应用1. 概述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
2、 所示。由输入比较器、定时比较器、RS 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 4.040V 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、Ct 和定时比较器、复零晶体管、RS 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
3、比较器输出高电平，使 RS 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 RS 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RS 触发器置位，如此
4、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：(IRVL/RL)t1=t2VL/RL从上式可得：f0=1/(t1t2)=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
5、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=6.8k，Ct=0.01F，t1=7.5s。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
6、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
7、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
8、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 010V 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
9、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 010V 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。1. 概述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
10、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、RS 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
11、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 4.040V 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 t和定时比较器、复零晶体管、RS 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RS 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 V
12、cc 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 RS 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 RS 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、C l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：(I RV L/RL)t1=
13、t2VL/RL从上式可得：f0=1/(t 1t 2)=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：f 0=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，I R=1.90/Rs，改变 Rs的值，可调节电路的转换增益，t 1由定时元件 Rt和 Ct决定，其关系是 t1=1.1RtCt，典型值Rt=6.8k，C t=0.01F，t 1=7.5s。由 f0=Vi/(RLIRt)可知，电阻 Rs、R
14、 l、R t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
15、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、C t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
16、，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：V O=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
17、测量转换为电压，经运算放大器放大为 010V 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010V 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。
