LM331壓頻變換器的原理及應(yīng)用

LM331壓頻變換器的原理及應(yīng)用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、R-S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4.0?40V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M飩擁繾鑂t、Ct和定時(shí)比較器、復(fù)零晶體管、R—S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R—S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R—S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R—S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：(IR—VL/RL)t1=t2VL/RL從上式可得：f0=1/(t1＋t2)=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)了電壓一頻率變換。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=6.8kQ,Ct=0.01uF,tl=7.5us。由fO=Vi/（RLIRt）可知，電阻Rs、Rl、Rt和電容Ct直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果fO,因此對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)成的頻率一電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，輸入脈沖fi經(jīng)Rl、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)了頻率一電壓的變換。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.O9RlRtCtfi/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組成的遙測電路。在人員不能進(jìn)入或不易進(jìn)入的場合，通過傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)運(yùn)算放大器放大為0?10V電壓信號，由LM331進(jìn)行V/F變換為脈沖信號，通過長雙絞線傳輸?shù)綔y量室，在測量室內(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)行測量，從而可避免直接導(dǎo)線連接到測量室而造成的線路衰減或干擾，提高測量精度。當(dāng)前，12位以上的A/D轉(zhuǎn)換器的價(jià)格仍較昂貴，用V/F變換器來代替A/D轉(zhuǎn)換器，在要求速度不太高的場合是一種較好的選擇。用LM331構(gòu)成的A/D變換器采集系統(tǒng)接口電路如圖6所示。從傳感器來的毫伏級的電壓信號經(jīng)低溫漂運(yùn)算放大器INA101放大到0?10V后加到V/F變換器LM331的輸入端，從頻率輸出端f0輸出的頻率信號加到單片機(jī)8031的輸入端T1上。根據(jù)分辨率的要求利用軟件（限于篇幅，程序部分略）處理，最后得到A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。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。4m131LM3H的剛站悄甩總定時(shí)比較器、R—S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4m131LM3H的剛站悄甩總定時(shí)比較器、R—S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4.0?40V之間，輸出可高達(dá)40V，而且可以防止Vcc短路。linnrL嚴(yán)口鼻■P2dznur^a r—Ormt-MtirtiKTftJ—4=5-|LMWIV/Fituais工作原理2.1電壓一頻率變換器圖2是由LM331組成的電壓椘德時(shí)浠壞緶貳M飩擁繾鍾t、C和定時(shí)比較器、復(fù)零晶體管、Rt—S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R—S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f為邏輯低電平，同時(shí)，電流開關(guān)打向右0邊，電流源I對電容C充電。此時(shí)由于復(fù)零晶體管截止，電源Vcc也通過電阻R對電容C充電。R L當(dāng)電容c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Rt—S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f為邏輯高電平，0同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容C通過復(fù)零晶體管迅速放電；電流開關(guān)打向左t邊，電容C對電阻R放電。當(dāng)電容C放電電壓等于輸入電壓Vi時(shí)，輸入比TOC\o"1-5"\h\zl L L較器再次輸出高電平，使R—S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c、c充放電和輸出脈沖f的波形。設(shè)電容c的充電時(shí)間為? y斥曲-U；tl 0 Lt,放電時(shí)間為t,貝I」根據(jù)電容C上電荷平衡的原理，我們有：1 2 L(I-V/R)t=tV/RRLL1 2LL從上式可得：

f0=1/(t+t)=V/(RIt)1 2LLR1實(shí)際上，該電路的VL在很少的范圍內(nèi)(大約1OmV)波動(dòng)，因此，可認(rèn)為V=V,故上式可以表示Lt為：f==V/(RIt)0tLR1可見，輸出脈沖頻率f與輸入電壓V成正比，從而實(shí)現(xiàn)了電壓一頻率變換。式中I由內(nèi)部基TOC\o"1-5"\h\z0 i R準(zhǔn)電壓源供給的1.90V參考電壓和外接電阻R決定，I=1.90/Rs,改變R的值，可調(diào)節(jié)電路的轉(zhuǎn)換s R s增益，t由定時(shí)元件R和C決定，其關(guān)系是t=1.1RC,典型值R=6.8kQ,C=0.01uF,t=7.5us。1 t t 1 tt t t 1由f=V/(RIt)可知，電阻R、R、R和電容C直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果f,因此對元件的精度要有0iLR slt t 0一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電容C1對轉(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)旳4[j\wir/v^w-in換精度。旳4[j\wir/v^w-in2.2頻率一電壓變換器由LM331構(gòu)成的頻率一電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，輸入脈沖f經(jīng)Rl、C1組i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I對電容C充電,TOC\o"1-5"\h\zR L同時(shí)因復(fù)零晶體管截止而使電源Vcc通過電阻R對電容C充電。當(dāng)電容C兩端電壓達(dá)到2Vcc/3時(shí),t t L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C通過電阻R放電，同時(shí)，L L復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時(shí)電容C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t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C的充電時(shí)間由定時(shí)電路R、C決定,L tt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C上積累的電荷就越多輸出電壓(電L容C兩端的電壓)就越高，實(shí)現(xiàn)了頻率一電壓的變換。按照前面推導(dǎo)V/F表達(dá)式的方法，可得到輸也SA也SA関贓籬由出電壓V與f的關(guān)系為：O iV=2.09RRCf/RO lttis ■電容CL大些，輸出電壓VO的紋波會小些，電容CL小電容CL大些，輸出電壓VO的紋波會小些，電容CL小L L些，當(dāng)輸入脈沖頻率變化時(shí)，輸出響應(yīng)會快些。這些因素在實(shí)際運(yùn)用時(shí)要綜合考慮。應(yīng)用圖5為由兩塊LM331組成的遙測電路。在人員不能進(jìn)入或不易進(jìn)入的場合，通過傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)運(yùn)算放大器放大為0?10V電壓信號，由LM331進(jìn)行V/F變換為脈沖信號，通過長雙絞線傳輸?shù)綔y量室，在測量室內(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