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LM331 的PDF資料 下載 ,286730K

LM331 的貨源和報價 LM331 的相關技術信息

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LM331在AD轉換電路中的應用

    數(shù)據(jù)的采集與處理廣泛地應用在自動化領域中,由于應用的場合不同,對數(shù)據(jù)采集與處理所要求的硬件也不相同.在控制過程中,有時要對幾個模擬信號進行采集與處理,這些信號的采集與處理對速度要求不太高,一般采用AD574或ADC0809等芯片組成的A/D轉換電路來實現(xiàn)信號的采集與模數(shù)轉換，而AD574和ADC0809等A/D轉換器價格較貴，線路復雜,從而提高了產品價格和項目的費用.在本文中,從實際應用出發(fā),給出了一種應用V/F轉換器LM331芯片組成的A/D轉換電路，V/F轉換器LM331芯片能夠把電壓信號轉換為頻率信號，而且線性度好，通過計算機處理，再把頻率信號轉換為數(shù)字信號，就完成了A/D轉換。它與AD574等電路相比，具有接線簡單，價格低廉，轉換精度高等特點，而且LM331芯片在轉換過程中不需要軟件程序驅動，這與AD574等需要軟件程序控制的A/D轉換電路相比，使用起來方便了許多。

一. 芯片簡介

    LM331是美國NS公司生產的性能價格比比較高的集成芯片。它是當前最簡單的一種高精度V/F轉換器、A/D轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器以及其它相關的器件。LM331為雙列直插式8引腳芯片，其引腳框圖如圖1所示。
                  
 圖1 LM331邏輯框圖
　　LM331 各引腳功能說明如下:腳1 為脈沖電流輸出端,內部相當于脈沖恒流源,脈沖寬度與內部單穩(wěn)態(tài)電路相同;腳2 為輸出端脈沖電流幅度調節(jié),RS 越小,輸出電流越大;腳3 為脈沖電壓輸出端,
    OC 門結構,輸出脈沖寬度及相位同單穩(wěn)態(tài),不用時可懸空或接地;腳4 為地;腳5 為單穩(wěn)態(tài)外接定時時間常數(shù)RC ;腳6 為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)脈沖輸入端,低于腳7 電壓觸發(fā)有效,要求輸入負脈沖寬度小于單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖寬度Tw ;腳7 為比較器基準電壓,用于設置輸入脈沖的有效觸發(fā)電平高低;腳8 為電源Vcc , 正常工作電壓范圍為4～40V。線性度好, 最大非線性失真小于0. 01 % , 工作頻率低到0. 1Hz 時尚有較好的線性;變換精度高數(shù)字分辨率可達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,并且容易保證轉換精度。

二. A/D轉換原理

1.電壓-頻率轉換

 
圖2電壓-頻率轉換電路

     圖2是我們常用的一種壓頻轉換電路，按照圖2設計電路, LM331采用單電源供電，電源電壓VCC，模擬信號 的輸入范圍-VCC～0V,頻率范圍為1～500KHZ，非線性低于0.01％。模擬信號 經(jīng)積分器LF356積分處理后,在INPUT端變成與輸入電壓 成正比的穩(wěn)定電流輸入,通過LM331芯片進行V/F轉換后,變成與電壓成正比的頻率信號,FOUT端輸出的頻率信號送到計算機的計數(shù)/定時端口,計算機對頻率信號進行采集、處理、存儲。從而實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉換。由于LM331的轉換線性度直接影響轉換結果的準確性，而通常引起V/F轉換產生非線性誤差的原因是引腳1的輸出阻抗，它使輸出電流隨輸入電壓的變化而變化，因而影響轉換精度，為克服此缺點，高精度V/F轉換器在1腳和7腳間加入了一個積分器，這個積分器是由常規(guī)運放LF356和積分電容C4構成的反積分器。加上積分電路后，由于電流源（1引腳）總是保持地電位，電壓不隨 或FOUT變化，因此有很高的線性度。

2.頻率-數(shù)字信號變換

         
  圖3 LM331實現(xiàn)A/D轉換框架圖

     圖3中,模擬信號經(jīng)壓/頻轉換器LM331,把電壓信號轉化為脈沖信號,脈沖信號送到計算機的計數(shù)/定時端口,有計算機對頻率信號進行接收、處理、儲存。由于壓/頻轉換器LM331的壓/頻轉換關系成線性,所以我們可以根據(jù)采集到頻率數(shù)據(jù)知道模擬信號的大小,從而實現(xiàn)了模擬信號到數(shù)字信號的轉換.頻率計數(shù)器、定時器可以使用計算機的計數(shù)/定時端口，通過軟件編程實現(xiàn)�；鶞暑l率，數(shù)據(jù)處理也是通過軟件編程實現(xiàn)，數(shù)據(jù)可以儲存到內部數(shù)據(jù)存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器中。

三. 計算機軟件編程

    LM331要實現(xiàn)A/D轉換,需與計數(shù)器配合使用.LM331的輸出端FOUT與單片機計數(shù)器T0端口連接,定時器T1用于定時,由公式f=D/T,D是計數(shù)值;T是計數(shù)時間.計數(shù)時間T由定時器T1確定,通過計算得出FOUT,然后進行數(shù)據(jù)處理與存儲.簡要程序及說明如下:

    主程序MAIN設置定時器T0、T1工作方式分別為16位計數(shù)和定時,并置初值,T1開中斷,T1的定時時間根據(jù)轉換精度需要而定,如果取轉換精度為12位，最高頻率為100KHZ,計滿量程時間為FFFH/100K=8.192ms.單片機采用12MHZ晶振時，機器周期＝1µs,定時初值為

    調DATA子程序主要是進行數(shù)據(jù)處理并存儲,得到的數(shù)據(jù)就是12位A/D轉換數(shù)據(jù) ,改變定時初值,可調節(jié)A/D轉換位,如13位,14位等.

結論:

    運用LM331實現(xiàn)A/D轉換, 具有電路簡單,成本低，測量精度高并且轉換位數(shù)可調的特點,在實際工作之前,對電路器件參數(shù)進行調校,調校之后,系統(tǒng)穩(wěn)定性好.與AD574等電路相比，價格便宜幾倍。

相關文章:LM331壓頻變換器的原理及應用

Principle and Applications of The Voltage Frequency Converter LM331 Lin Han

摘要：介紹了集成電路LM331的結構和特點，分析了V/F和F/V電路的工作原理。同時也給出了一些應用的例子。 關鍵詞：電壓－頻率變換； 頻率－電壓變換； LM331 分類號：TN79+2     文獻標識：B    文章編號：1006-6977（1999）11-0020-03

1. 概述 　　LM331是美國NS公司生產的性能價格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉換器、A/D轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器及其他相關器件。LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬，可達100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01％，工作頻率低到0.1Hz時尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達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，并且容易保證轉換精度。 　　LM331的內部電路組成如圖1所示。由輸入比較器、定時比較器、R－S觸發(fā)器、輸出驅動管、復零晶體管、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。LM331可采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。 2. 工作原理 2.1 電壓—頻率變換器 　　圖2是由LM331組成的電壓椘德時浠壞緶貳Ｍ飩擁繾鑂t、Ct和定時比較器、復零晶體管、R－S觸發(fā)器等構成單穩(wěn)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(fā)器置位，Q輸出高電平，輸出驅動管導通，輸出端f0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。此時由于復零晶體管截止，電源Vcc也通過電阻Rt對電容Ct充電。當電容Ct兩端充電電壓大于Vcc的2/3時，定時比較器輸出一高電平，使R－S觸發(fā)器復位，Q輸出低電平，輸出驅動管截止，輸出端f0為邏輯高電平，同時，復零晶體管導通，電容Ct通過復零晶體管迅速放電；電流開關打向左邊，電容Cl對電阻RL放電。當電容CL放電電壓等于輸入電壓Vi時，輸入比較器再次輸出高電平，使R－S觸發(fā)器置位，如此反復循環(huán)，構成自激振蕩。圖3畫出了電容Ct、Cl充放電和輸出脈沖f0的波形。設電容CL的充電時間為t1，放電時間為t2，則根據(jù)電容CL上電荷平衡的原理，我們有： 　　(IR－VL/RL)t1=t2VL/RL 　　從上式可得： 　　f0=1/(t1＋t2)=VL/(RLIRt1) 　　實際上，該電路的VL在很少的范圍內(大約10mV)波動，因此，可認為VL=Vt，故上式可以表示為： 　　f0==Vt/(RLIRt1) 　　可見，輸出脈沖頻率f0與輸入電壓Vi成正比，從而實現(xiàn)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(jié)電路的轉換增益，t1由定時元件Rt和Ct決定，其關系是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(jù)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沖，有利于提高轉換精度。 2.2 頻率－電壓變換器 　　由LM331構成的頻率－電壓轉換電路如圖4所示，輸入脈沖fi經(jīng)R1、C1組成的微分電路加到輸入比較器的反相輸入端。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。當輸入脈沖的下降沿到來時， 經(jīng)微分電路R1、C1產生一負尖脈沖疊加到反相輸入端的Vcc上，當負向尖脈沖大于Vcc/3時，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時電流開關打向右邊，電流源IR對電容CL充電，同時因復零晶體管截止而使電源Vcc通過電阻Rt對電容Ct充電。當電容CL兩端電壓達到2Vcc/3時，定時比較器輸出高電平使觸發(fā)器復位，此時電流開關打向左邊，電容CL通過電阻RL放電，同時，復零晶體管導通，定時電容Ct迅速放電，完成一次充放電過程。此后，每當輸入脈沖的下降沿到來時，電路重復上述的工作過程。從前面的分析可知，電容CL的充電時間由定時電路Rt、Ct決定，充電電流的大小由電流源IR決定，輸入脈沖的頻率越高，電容CL上積累的電荷就越多輸出電壓(電容CL兩端的電壓)就越高，實現(xiàn)了頻率－電壓的變換。按照前面推導V/F表達式的方法，可得到輸出電壓VO與fi的關系為： 　　VO=2.09RlRtCtfi/Rs 　　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VO的紋波會小些，電容CL小些，當輸入脈沖頻率變化時，輸出響應會快些。這些因素在實際運用時要綜合考慮。 3. 應用 　　圖5為由兩塊LM331組成的遙測電路。在人員不能進入或不易進入的場合，通過傳感器將被測量轉換為電壓，經(jīng)運算放大器放大為0～10V電壓信號，由LM331進行V/F變換為脈沖信號，通過長雙絞線傳輸?shù)綔y量室，在測量室內通過光電耦合器轉換為幅度穩(wěn)定的脈沖電壓，此脈沖電壓再經(jīng)LM331進行F/V變換為電壓進行測量，從而可避免直接導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變換器采集系統(tǒng)接口電路如圖6所示。從傳感器來的毫伏級的電壓信號經(jīng)低溫漂運算放大器INA101放大到0～10V后加到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(jù)分辨率的要求利用軟件(限于篇幅，程序部分略)處理，最后得到A/D轉換的結果。