電子學(xué)習(xí)資料光盤 芯片資料 MC系列 mcu1219

電壓-頻率變換器LM331 LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片。LM331可用作精密的頻率電壓（F/V）轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長(zhǎng)時(shí)間積分器以及其他相關(guān)的器件。LM331為雙列直插式8腳芯片，其引腳如圖3所示。 LM331內(nèi)部有（1）輸入比較電路、（2）定時(shí)比較電路、（3）R-S觸發(fā)電路、（4）復(fù)零晶體管、（5）輸出驅(qū)動(dòng)管、（6）能隙基準(zhǔn)電路、（7）精密電流源電路、（8）電流開關(guān)、（9）輸出保護(hù)點(diǎn)路等部分。輸出管采用集電極開路形式，因此可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，從而適應(yīng)TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。此外，LM331可采用單/雙電源供電，電壓范圍為440V，輸出也高達(dá)40V。I（PIN1）為電流源輸出端，在f（PIN3）輸出邏輯低電平時(shí)，電流源輸出對(duì)電容充電。引腳2（PIN2）為增益調(diào)整，改變的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小。f（PIN3）為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由t和t決定。引腳4（PIN4）為電源地。引腳5（PIN5）為定時(shí)比較器正相輸入端。引腳6（PIN6）為輸入比較器反相輸入端。引腳7（PIN7）為輸入比較器正相輸入端。引腳8（PIN8）為電源正端。LM331頻率電壓轉(zhuǎn)換器 V/F變換和F/V變換采用集成塊LM331，LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器用。LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。同時(shí)它動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01，工作頻率低到0.1Hz時(shí)尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。 圖2是由LM331組成的電壓頻率變換電路，LM331內(nèi)部由輸入比較器、定時(shí)比較器、RS觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路和電流開關(guān)等部分組成。輸出驅(qū)動(dòng)管采用集電極開路形式，因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。當(dāng)輸入端Vi輸入一正電壓時(shí)，輸入比較器輸出高電平，使RS觸發(fā)器置位，輸出高電平，輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，輸出端f0為邏輯低電平，同時(shí)電源Vcc也通過電阻R2對(duì)電容C2充電。當(dāng)電容C2兩端充電電壓大于Vcc的2/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出一高電平，使RS觸發(fā)器復(fù)位，輸出低電平，輸出驅(qū)動(dòng)管截止，輸出端f0為邏輯高電平，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容C2通過復(fù)零晶體管迅速放電；電子開關(guān)使電容C3對(duì)電阻R3放電。當(dāng)電容C3放電電壓等于輸入電壓Vi時(shí)，輸入比較器再次輸出高電平，使RS觸發(fā)器置位，如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。輸出脈沖頻率f0與輸入電壓Vi成正比，從而實(shí)現(xiàn)了電壓頻率變換。其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為：fo=(VinR4)/(2.09R3R2C2) 由式知電阻R2、R3、R4、和C2直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果f0，因此對(duì)元件的精度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電阻R1和電容C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。 同樣，由LM331也可構(gòu)成頻率電壓轉(zhuǎn)換電路。LM331壓頻變換器的原理及應(yīng)用 摘要：介紹了集成電路LM331的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，分析了V/F和F/V電路的工作原理。同時(shí)也給出了一些應(yīng)用的例子。關(guān)鍵詞：電壓頻率變換； 頻率電壓變換； LM331 1. 概述LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長(zhǎng)時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01，工作頻率低到0.1Hz時(shí)尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。LM331的內(nèi)部電路組成如圖1所示。由輸入比較器、定時(shí)比較器、RS觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)管、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成。輸出驅(qū)動(dòng)管采用集電極開路形式，因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。LM331可采用雙電源或單電源供電，可工作在4.040V之間，輸出可高達(dá)40V，而且可以防止Vcc短路。2. 工作原理2.1 電壓頻率變換器 圖2是由LM331組成的電壓椘德時(shí)浠壞緶貳飩擁繾鑂t、Ct和定時(shí)比較器、復(fù)零晶體管、RS觸發(fā)器等構(gòu)成單穩(wěn)定時(shí)電路。當(dāng)輸入端Vi輸入一正電壓時(shí)，輸入比較器輸出高電平，使RS觸發(fā)器置位，Q輸出高電平，輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，輸出端f0為邏輯低電平，同時(shí)，電流開關(guān)打向右邊，電流源IR對(duì)電容CL充電。此時(shí)由于復(fù)零晶體管截止，電源Vcc也通過電阻Rt對(duì)電容Ct充電。當(dāng)電容Ct兩端充電電壓大于Vcc的2/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出一高電平，使RS觸發(fā)器復(fù)位，Q輸出低電平，輸出驅(qū)動(dòng)管截止，輸出端f0為邏輯高電平，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容Ct通過復(fù)零晶體管迅速放電；電流開關(guān)打向左邊，電容Cl對(duì)電阻RL放電。當(dāng)電容CL放電電壓等于輸入電壓Vi時(shí)，輸入比較器再次輸出高電平，使RS觸發(fā)器置位，如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。圖3畫出了電容Ct、Cl充放電和輸出脈沖f0的波形。設(shè)電容CL的充電時(shí)間為t1，放電時(shí)間為t2，則根據(jù)電容CL上電荷平衡的原理，我們有：(IRVL/RL)t1=t2VL/RL從上式可得：f0=1/(t1t2)=VL/(RLIRt1)實(shí)際上，該電路的VL在很少的范圍內(nèi)(大約10mV)波動(dòng)，因此，可認(rèn)為VL=Vt，故上式可以表示為：f0=Vt/(RLIRt1)可見，輸出脈沖頻率f0與輸入電壓Vi成正比，從而實(shí)現(xiàn)了電壓頻率變換。式中IR由內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源供給的1.90V參考電壓和外接電阻Rs決定，IR=1.90/Rs，改變Rs的值，可調(diào)節(jié)電路的轉(zhuǎn)換增益，t1由定時(shí)元件Rt和Ct決定，其關(guān)系是t1=1.1RtCt，典型值Rt=6.8k，Ct=0.01F，t1=7.5s。由f0=Vi/(RLIRt)可知，電阻Rs、Rl、Rt和電容Ct直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果f0，因此對(duì)元件的精度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電容Cl對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒有直接的影響。但應(yīng)選擇漏電流小的電容器。電阻R1和電容C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。2.2 頻率電壓變換器由LM331構(gòu)成的頻率電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，輸入脈沖fi經(jīng)R1、C1組成的微分電路加到輸入比較器的反相輸入端。輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻R2、R3分壓而加有約2Vcc/3的直流電壓，反相輸入端經(jīng)電阻R1加有Vcc的直流電壓。當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時(shí)， 經(jīng)微分電路R1、C1產(chǎn)生一負(fù)尖脈沖疊加到反相輸入端的Vcc上，當(dāng)負(fù)向尖脈沖大于Vcc/3時(shí)，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時(shí)電流開關(guān)打向右邊，電流源IR對(duì)電容CL充電，同時(shí)因復(fù)零晶體管截止而使電源Vcc通過電阻Rt對(duì)電容Ct充電。當(dāng)電容CL兩端電壓達(dá)到2Vcc/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，此時(shí)電流開關(guān)打向左邊，電容CL通過電阻RL放電，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時(shí)電容Ct迅速放電，完成一次充放電過程。此后，每當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時(shí)，電路重復(fù)上述的工作過程。從前面的分析可知，電容CL的充電時(shí)間由定時(shí)電路Rt、Ct決定，充電電流的大小由電流源IR決定，輸入脈沖的頻率越高，電容CL上積累的電荷就越多輸出電壓(電容CL兩端的電壓)就越高，實(shí)現(xiàn)了頻率電壓的變換。按照前面推導(dǎo)V/F表達(dá)式的方法，可得到輸出電壓VO與fi的關(guān)系為：VO=2.09RlRtCtfi/Rs電容C1的選擇不宜太小，要保證輸入脈沖經(jīng)微分后有足夠的幅度來觸發(fā)輸入比較器，但電容C1小些有利于提高轉(zhuǎn)換電路的抗干擾能力。電阻RL和電容CL組成低通濾波器。電容CL大些，輸出電壓VO的紋波會(huì)小些，電容CL小些，當(dāng)輸入脈沖頻率變化時(shí)，輸出響應(yīng)會(huì)快些。這些因素在實(shí)際運(yùn)用時(shí)要綜合考慮。3. 應(yīng)用圖5為由兩塊LM331組成的遙測(cè)電路。在人員不能進(jìn)入或不易進(jìn)入的場(chǎng)合，通過傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)運(yùn)算放大器放大為010V電壓信號(hào)，由LM331進(jìn)行V/F變換為脈沖信號(hào)，通過長(zhǎng)雙絞線傳輸?shù)綔y(cè)量室，在測(cè)量室內(nèi)通過光電耦合器轉(zhuǎn)換為幅度穩(wěn)定的脈沖電壓，此脈沖電壓再經(jīng)LM331進(jìn)行F/V變換為電壓進(jìn)行測(cè)量，從而可避免直接導(dǎo)線連接到測(cè)量室而造成的線路衰減或干擾，提高測(cè)量精度。當(dāng)前，12位以上的A/D轉(zhuǎn)換器的價(jià)格仍較昂貴，用V/