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電壓-頻率變換器LM331LM331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，其引腳圖* jgsa框圖如圖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4?40V,輸出也高達(dá)40V。引腳1（PIN1）為電流源輸出端，在f（PIN3）輸出邏輯低電平時(shí)，電流源I口輸出對電容充電。引腳2（PIN2）為增益調(diào)整，改變Rs的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小。引腳3（PIN3）為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由氣和Ct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)1OOdB；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。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、R—S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R—S觸發(fā)器置位，輸出高電平，輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，輸出端fO為邏輯低電平，同時(shí)電源Vcc也通過電阻R2對電容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R—S觸發(fā)器復(fù)位，輸出低電平，輸出驅(qū)動(dòng)管截止，輸出端fO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R—S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fO與輸入電壓Vi成正比，從而實(shí)現(xiàn)了電壓一頻率變換。其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為：fo=(VinXR4)/(2.09XR3XR2XC2) 由式知電阻R2、R3、R4、和C2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)成頻率一電壓轉(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：電壓一頻率變換；頻率一電壓變換；LM331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，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、R-S觸發(fā)器等構(gòu)成單t古i*1古i*1F口J*—「s—l?rH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R對電容C充電。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t t t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f為邏輯高電平，稅0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’Wk」沖置位，如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。圖3畫出了電容C「C1充放電和輸出脈沖f0的波形。設(shè)電容CL的充電時(shí)間為放電時(shí)間為t,貝I」根據(jù)電容C上電荷平衡的原理，我們有:2 L(I-V/R)t=tV/RRLL1 2LL從上式可得:

fO=l/(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)％V=V,故上式可以表示為：Ltf==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)部基準(zhǔn)電壓源供給的1.90VTOC\o"1-5"\h\z0 i R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)換增益，t由定時(shí)元件R和C決定，其關(guān)系s R s 1 t t是七=1.1RC，典型值R=6.8kQ,C=0.01uF，t=7.5us。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一定的要求，可根據(jù)0iLR slt t 0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￥.rrBIT￡l1TWhHbflffli BIT￡l1TWhHbflffli F/V電崎田2.2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)R1、C1組成的微分電路加到輸入比較器的反相輸i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Rl、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，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R L t tC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C通過電阻R放電,L L L同時(shí)，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來時(shí)，電路重t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，充電電流的大小由電流源IR決定,L tt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(電容C兩端的電壓)就越高，實(shí)現(xiàn)了頻率一電壓的變換。L L按照前面推導(dǎo)V/F表達(dá)式的方法，可得到輸出電壓V與f的關(guān)系為:也S血囪由也S血囪由V=2.09RRCf/RO lttis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V的紋波會(huì)小些，電容c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O L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(hào)，由LM331進(jìn)行V/F變換為脈沖信號(hào)，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