LM331

美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片

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。

器件功能

内部功能

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。

工作原理

图2是由 LM331 组成的电压—频率变换电路。外接电阻 Rt 、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fo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 fo 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 图3为电容充放电输出波形图：

从上式可得:

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=Vi,故上式可以表

示为:

f0==Vi/(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。

应用

图4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4 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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