LM331变换器的介绍和应用

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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、线性频率凋制解调、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。LM33l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O.1 Hz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，只需接人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。　　LM33l的内部电路组成如图所示。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。同时LM331可采用双电源或单电源供电，工作在4.O～40V之间。　　附图是由LM331组成的电压频率变换电路，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Ir对电容Cl充电。此时由于复零晶体管截止，VCC也通过Rt对Ct充电。当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f0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，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。　　设电容Cl的充电时间为t1，放电时间为t2，则根据Cl上电荷平衡的原理：　　（Ir-Ll）tl=Ilxt2（Ir-VI/RL）t1=t2Vl/RL从上式可得：　　f0=l／（1l+t2）=VI/（RlIrtl）实际上，该电路的Vl在很小的范围内（大约10mV）波动，因此，可认为Vl=Vi，故上式表示为：　　f0=Vi/（RlIIRtl）可见，输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压一频率变换。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，t1由定时元件RI和Ct决定，关系是t1=1.1 RtCt（典型值Rl=6.8kΩ，Ct=0.01μF，tl=7.5μs）。因此输出频率与输入电压的关系为：　　f0=Vi Rs/2.09RlRt Ct。　　在该电路中，电阻Rl主要是使LM331的输入端（7）脚产生偏流，以抵消（6）脚偏流的影响，从而减少频率偏差。Rs的作用是调整LM331的增益偏差和由Rl、Rt及Ct引起的偏差。当（6）脚、（7）脚的RC时间常数匹配时，输入电压的阶跃变化将会引起输出频率的阶跃变化，如果C1比Cl小得多，那么输入电压的阶跃变化可能会使输出频率瞬间停止。（6）脚的Rl和Cl并联用以产生滞后效应，使V/F转换获得良好的线性度。　　由f0=Vi/（RlIRtl）可知，电阻Rs、R1、Rt和电容Ct直接影响转换结果fo，因此对元件的精度要有一定的要求。电容C1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Cl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。