LM331

LM331 器件概述

LM331是美國NS公司生產的性能價格比較高的集成晶片,可用作精密頻率電壓轉換器、A/ D 轉換器、線性頻率調製解調、長時間積分器及其他相關器件。LM331 採用了新的溫度補償能隙基準電路, 在整個工作溫度範圍內和低到 4.0V 電源電壓下都有極高的精度。LM331 的動態範圍寬, 可達 100dB ; 線性度好, 最大非線性失真小於 0.01% ,工作頻率低到0.1Hz時尚有較好的線性;變換精度高,數字解析度可達12位; 外接電路簡單,只需接入幾個外部元件就可方便構成 V/F 或 F/V 等變換電路,並且容易保證轉換精度。

LM331 器件管腳圖及管腳功能

LM331 器件管腳圖

引腳號	引腳名	功能
1	Current Output	電流輸出
2	Ref Current	基準電流
3	Frequency Output	頻率輸出
4	GND	接地
5	R/C	接 RC 定時電路
6	Thresholod	閾值
7	Comparator Input	比較輸入
8	VS	電源

LM331 內部功能圖

LM331 的內部電路組成如右圖所示由輸入比較器、定時比較器、R-S 觸發器、輸出驅動管、復零電晶體、

LM331 內部功能圖

能隙基準電路、精密電流源電路、電流開關、輸出保護管等部分組成輸出驅動管採用集電極開路形式,因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻,靈活改變輸出脈衝的邏輯電平,以適配 TTL、DTL 和 CMOS 等不同的邏輯電路。LM331 可採用雙電源或單電源供電,可工作在 4.0～40V 之間,輸出可高達 40V,而且可以防止 Vcc 短路。

電壓-頻率變換器工作原理

上圖是由 LM331 組成的電壓—頻率變換電路。外接電阻 Rt 、Ct和定時比較器、復零電晶體、R-S觸發器

電壓-頻率變換器工作原理

等構成單穩定時電路。當輸入端 Vi+輸入一正電壓時,輸入比較器輸出高電平,使R-S觸發器置位,Q輸出高電平,輸出驅動管導通,輸出端fo為邏輯低電平,同時,電流開關打向右邊,電流源 IR 對電容CL 充電。此時由於復零電晶體截止,電源 Vcc 也通過電阻 Rt 對電容 Ct 充電。當電容 Ct 兩端充電電壓大於 Vcc 的2/3 時,定時比較器輸出一高電平, 使 R-S 觸發器復位,Q 輸出低電平,輸出驅動管截止,輸出端 fo 為邏輯高電平,同時,復零電晶體導通,電容 Ct 通過復零電晶體迅速放電;電流開關打向左邊,電容 CL 對電阻 RL放電。當電容 CL 放電電壓等於輸入電壓 Vi 時,輸入比較器再次輸出高電平,使 R-S觸發器置位,如此反覆循環,構成自激振盪。 右圖畫出了電容 Ct、 CL 充放電和輸出脈衝 f0 的波形。設電容 CL 的充電時間為 t1,放電時間為 t2,則根據電容 CL 上電荷平衡的原理,我們有:
(IR-VL/RL)t1=t2VL/RL

右圖為電容充放電輸出波形圖：
從上式可得:
f0=1/(t1+t2)=VL/(RLIRt1)
實際上,該電路的VL 在很少的範圍內(大約10mV)波動,因此, 可認為VL=Vi,故上式可以表
示為:
f0==Vi/(RLIRt1)
可見,輸出脈衝頻率 f0 與輸入電壓 Vi成正比,從而實現了電壓-頻率變換。式中 IR 由內部
基準電壓源供給的 1.90V 參考電壓和外接電阻 Rs 決定,IR=1.90/Rs,改變 Rs 的值,可調節
電路的轉換增益,t1 由定時元件 Rt 和 Ct 決定,其關係是：t1=1.1RtCt, 典型值
Rt=6.8kΩ,Ct=0.01µF,t1 =7.5µs。由 f0=Vi/(RLIRt)可知,電阻 Rs、RL、Rt 和電容 Ct 直
接影響轉換結果 f0,因此對元件的精度要有一定的要求,可根據轉換精度適當選擇。電容
CL 對轉換結果雖然沒有直接的影響。但應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衝, 有利於提高轉換精度。

套用

右圖由兩塊LM331組成的遙測電路。在人員不能進入或不易進入的場合，通過感測器將被測量轉換為電

LM331與單片機接口電路

壓，經運算放大器放大為0～10V電壓信號，由LM331 進行V/F變換為脈衝信號，通過長雙絞線傳輸到測量室，在測量室內通過光電耦合器轉換為幅 量室而造成的線路衰減或干擾，提高測量精度。
當前，12 位以上的A/D轉換器的價格仍較昂貴，用V/F變換器來代替A/D轉換器，在要求速度不太高的場合是一種較好的選擇。用LM331 構成的A/D變換器採集系統接口電路如圖6 所示。 從感測器來的毫伏級的電壓信號經低溫漂運算放大器INA101 放大到0～10V後加到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 8031 的輸入端T1上。根據解析度的要求利用軟體(限於篇幅，程式部分略)處理，最後得到A/D轉換的結果。