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,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。

器件功能

引脚号引脚名功能1CurrentOutput电流输出2RefCurrent基准电流3FrequencyOutput频率输出4GND接地5R/C接RC定时电路6Thresholod阈值7ComparatorInput比较输入8VS电源

内部功能

LM331的内部电路组成如右图所示由输入比较器、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。

工作原理

上图是由LM331组成的电压—频率变换电路。外接电阻Rt、Ct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fo为逻辑低电平,同时,电流开关打向右边,电流源IR对电容CL充电。此时由于复零晶体管截止,电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct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fo为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容Ct通过复零晶体管迅速放电;电流开关打向左边,电容CL对电阻RL放电。当电容CL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。右图画出了电容Ct、CL充放电和输出脉冲f0的波形。设电容CL的充电时间为t1,放电时间为t2,则根据电容CL上电荷平衡的原理,我们有:(IR-VL/RL)t1=t2VL/RL右图为电容充放电输出波形图：从上式可得:f0=1/(t1+t2)=VL/(RLIRt1)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VL=Vi,故上式可以表示为:f0==Vi/(RLIRt1)可见,输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比,从而实现了电压-频率变换。式中IR由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接电阻Rs决定,IR=1.90/Rs,改变Rs的值,可调节电路的转换增益,t1由定时元件Rt和Ct决定,其关系是：t1=1.1RtCt,典型值Rt=6.8kΩ,Ct=0.01µF,t1=7.5µs。由f0=Vi/(RLIRt)可知,电阻Rs、RL、Rt和电容Ct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CL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。

应用

右图由两块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，得到A/D转换的结果。