原创 LM331在AD转换电路中的应用

Principle and Applications of The Voltage Frequency Converter LM331

Lin Han

摘要：

1. 概述

　　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。
　　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。

2. 工作原理

2.1 电压—频率变换器

　　图2是由LM331组成的电压椘德时浠坏缏贰Ｍ饨拥缱鑂t、C_t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f₀为逻辑低电平，同时，电流开关打向右边，电流源I_R对电容C_L充电。此时由于复零晶体管截止，电源Vcc也通过电阻R_t对电容C_t充电。当电容C_t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f₀为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C_t通过复零晶体管迅速放电；电流开关打向左边，电容C_l对电阻R_L放电。当电容C_L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C_t、C_l充放电和输出脉冲f₀的波形。设电容C_L的充电时间为t₁，放电时间为t₂，则根据电容C_L上电荷平衡的原理，我们有：
　　(I_R－V_L/R_L)t₁=t₂V_L/R_L
　　从上式可得：
　　f0=1/(t₁＋t₂)=V_L/(R_LI_Rt₁)
　　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V_L=V_t，故上式可以表示为：
　　f₀==V_t/(R_LI_Rt₁)
　　可见，输出脉冲频率f₀与输入电压V_i成正比，从而实现了电压－频率变换。式中I_R由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接电阻R_s决定，I_R=1.90/Rs，改变R_s的值，可调节电路的转换增益，t₁由定时元件R_t和C_t决定，其关系是t₁=1.1R_tC_t，典型值R_t=6.8kΩ，C_t=0.01μF，t₁=7.5μs。
　　由f₀=V_i/(R_LI_Rt)可知，电阻R_s、R_l、R_t和电容C_t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C_l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。
2.2 频率－电压变换器
　　由LM331构成的频率－电压转换电路如图4所示，输入脉冲f_i经R1、C1组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻R2、R3分压而加有约2Vcc/3的直流电压，反相输入端经电阻R1加有Vcc的直流电压。当输入脉冲的下降沿到来时， 经微分电路R1、C1产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的Vcc上，当负向尖脉冲大于Vcc/3时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源I_R对电容C_L充电，同时因复零晶体管截止而使电源Vcc通过电阻R_t对电容C_t充电。当电容C_L两端电压达到2Vcc/3时，定时比较器输出高电平使触发器复位，此时电流开关打向左边，电容C_L通过电阻R_L放电，同时，复零晶体管导通，定时电容C_t迅速放电，完成一次充放电过程。此后，每当输入脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。从前面的分析可知，电容C_L的充电时间由定时电路R_t、C_t决定，充电电流的大小由电流源IR决定，输入脉冲的频率越高，电容C_L上积累的电荷就越多输出电压(电容C_L两端的电压)就越高，实现了频率－电压的变换。按照前面推导V/F表达式的方法，可得到输出电压V_O与f_i的关系为：
　　V_O=2.09R_lR_tC_tf_i/R_s
　　电容C1的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输入比较器，但电容C1小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻R_L和电容C_L组成低通滤波器。电容C_L大些，输出电压V_O的纹波会小些，电容C_L小些，当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。这些因素在实际运用时要综合考虑。

3. 应用

　　图5为由两块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度稳定的脉冲电压，此脉冲电压再经LM331进行F/V变换为电压进行测量，从而可避免直接导线连接到测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6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。