摘要:本文主要介紹一種應(yīng)用V/F轉(zhuǎn)換器LM331實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路,本電路價(jià)格低廉，外圍電路簡單, 適合應(yīng)用在轉(zhuǎn)換速度不太高的場(chǎng)合應(yīng)用.本文包括硬件電路和軟件程序的實(shí)現(xiàn).
關(guān)鍵詞:A/D轉(zhuǎn)換器,V/F轉(zhuǎn)換器, 高.
            
引言:

    數(shù)據(jù)的采集與處理廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)化領(lǐng)域中,由于應(yīng)用的場(chǎng)合不同,對(duì)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(shí)要對(duì)幾個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行采集與處理,這些信號(hào)的采集與處理對(duì)速度要求不太高,一般采用AD574或ADC0809等芯片組成的A/D轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換，而AD574和ADC0809等A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格較貴，線路復(fù)雜,從而提高了產(chǎn)品價(jià)格和項(xiàng)目的費(fèi)用.在本文中,從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),給出了一種應(yīng)用V/F轉(zhuǎn)換器LM331芯片組成的A/D轉(zhuǎn)換電路，V/F轉(zhuǎn)換器LM331芯片能夠把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，而且線性度好，通過計(jì)算機(jī)處理，再把頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，就完成了A/D轉(zhuǎn)換。它與AD574等電路相比，具有接線簡單，價(jià)格低廉，轉(zhuǎn)換高等特點(diǎn)，而且LM331芯片在轉(zhuǎn)換過程中不需要軟件程序驅(qū)動(dòng)，這與AD574等需要軟件程序控制的A/D轉(zhuǎn)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(chǎn)的性能價(jià)格比比較高的集成芯片。它是當(dāng)前簡單的一種高V/F轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時(shí)間積分器以及其它相關(guān)的器件。LM331為雙列直插式8引腳芯片，其引腳框圖如所示。
                  
  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(nèi)部相當(dāng)于脈沖恒流源,脈沖寬度與內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路相同;腳2 為輸出端脈沖電流幅度調(diào)節(jié),RS 越小,輸出電流越大;腳3 為脈沖電壓輸出端,
    OC 門結(jié)構(gòu),輸出脈沖寬度及相位同單穩(wěn)態(tài),不用時(shí)可懸空或接地;腳4 為地;腳5 為單穩(wěn)態(tài)外接定時(shí)時(shí)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(fù)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(zhǔn)電壓,用于設(shè)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, 非線性失真小于0. 01 % , 工作頻率低到0. 1Hz 時(shí)尚有較好的線性;變換高數(shù)字分辨率可達(dá)12 位; 外接電路簡單, 只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/ F 或F/ V 等變換電路,并且容易保證轉(zhuǎn)換。

二. A/D轉(zhuǎn)換原理

1.電壓-頻率轉(zhuǎn)換

 
電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路

     是我們常用的一種壓頻轉(zhuǎn)換電路，按照設(shè)計(jì)電路, LM331采用單電源供電，電源電壓VCC，模擬信號(hào) 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(hào) 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(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換后,變成與電壓成正比的頻率信號(hào),FOUT端輸出的頻率信號(hào)送到計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)/定時(shí)端口,計(jì)算機(jī)對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)。從而實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于LM331的轉(zhuǎn)換線性度直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性，而通常引起V/F轉(zhuǎn)換產(chǎn)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(zhuǎn)換，為克服此缺點(diǎn)，高V/F轉(zhuǎn)換器在1腳和7腳間加入了一個(gè)積分器，這個(gè)積分器是由常規(guī)運(yùn)放LF356和積分電容C4構(gòu)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(hào)變換

         
  LM331實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換框架圖

     中,模擬信號(hào)經(jīng)壓/頻轉(zhuǎn)換器LM331,把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào),脈沖信號(hào)送到計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)/定時(shí)端口,有計(jì)算機(jī)對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行接收、處理、儲(chǔ)存。由于壓/頻轉(zhuǎn)換器LM331的壓/頻轉(zhuǎn)換關(guān)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(hào)的大小,從而實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換.頻率計(jì)數(shù)器、定時(shí)器可以使用計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)/定時(shí)端口，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。基準(zhǔn)頻率，數(shù)據(jù)處理也是通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)可以儲(chǔ)存到內(nèi)部數(shù)據(jù)或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

三. 計(jì)算機(jī)軟件編程

    LM331要實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,需與計(jì)數(shù)器配合使用.LM331的輸出端FOUT與計(jì)數(shù)器T0端口連接,定時(shí)器T1用于定時(shí),由公式f=D/T,D是計(jì)數(shù)值;T是計(jì)數(shù)時(shí)間.計(jì)數(shù)時(shí)間T由定時(shí)器T1確定,通過計(jì)算得出FOUT,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ).簡要程序及說明如下:

    主程序MAIN設(shè)置定時(shí)器T0、T1工作方式分別為16位計(jì)數(shù)和定時(shí),并置初值,T1開中斷,T1的定時(shí)時(shí)間根據(jù)轉(zhuǎn)換需要而定,如果取轉(zhuǎn)換為12位，頻率為100KHZ,計(jì)滿量程時(shí)間為FFFH/100K=8.192ms.單片機(jī)采用12MHZ晶振時(shí)，機(jī)器周期＝1µs,定時(shí)初值為

    調(diào)DATA子程序主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并存儲(chǔ),得到的數(shù)據(jù)就是12位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) ,改變定時(shí)初值,可調(diào)節(jié)A/D轉(zhuǎn)換位,如13位,14位等.

結(jié)論:

    運(yùn)用LM331實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換, 具有電路簡單,成本低，測(cè)量高并且轉(zhuǎn)換位數(shù)可調(diào)的特點(diǎn),在實(shí)際工作之前,對(duì)電路器件參數(shù)進(jìn)行調(diào)校,調(diào)校之后,系統(tǒng)穩(wěn)定性好.與AD574等電路相比，價(jià)格便宜幾倍。

 

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Principle and Applications of The Voltage Frequency Converter LM331 Lin Han

摘要：介紹了LM331的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，分析了V/F和F/V電路的工作原理。同時(shí)也給出了一些應(yīng)用的例子。 關(guān)鍵詞：電壓－頻率變換； 頻率－電壓變換； LM331 分類號(hào)：TN79+2     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：B    文章編號(hào)：1006-6977（1999）11-0020-03

1. 概述 　　LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的。LM331的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100dB；線性度好，非線性失真小于0.01％，工作頻率低到0.1Hz時(shí)尚有較好的線性；變換高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換。 　　LM331的內(nèi)部電路組成如所示。由輸入比較器、定時(shí)比較器、R－S觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)管、復(fù)零、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成。輸出驅(qū)動(dòng)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(dá)40V，而且可以防止Vcc短路。 2. 工作原理 2.1 電壓—頻率變換器 　　是由LM331組成的電壓椘德時(shí)浠壞緶貳Ｍ飩擁繾鑂t、Ct和定時(shí)比較器、復(fù)零晶體管、R－S觸發(fā)器等構(gòu)成單穩(wěn)定時(shí)電路。當(dāng)輸入端Vi＋輸入一正電壓時(shí)，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(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，輸出端f0為邏輯低電平，同時(shí)，電流開關(guān)打向右邊，電流源IR對(duì)電容CL充電。此時(shí)由于復(fù)零晶體管截止，電源Vcc也通過電阻Rt對(duì)電容Ct充電。當(dāng)電容Ct兩端充電電壓大于Vcc的2/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出一高電平，使R－S觸發(fā)器復(fù)位，Q輸出低電平，輸出驅(qū)動(dòng)管截止，輸出端f0為邏輯高電平，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容Ct通過復(fù)零晶體管迅速放電；電流開關(guān)打向左邊，電容Cl對(duì)電阻RL放電。當(dāng)電容CL放電電壓等于輸入電壓Vi時(shí)，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(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。畫出了電容Ct、Cl充放電和輸出脈沖f0的波形。設(shè)電容CL的充電時(shí)間為t1，放電時(shí)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(shí)際上，該電路的VL在很少的范圍內(nèi)(大約10mV)波動(dòng)，因此，可認(rèn)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(shí)現(xiàn)了電壓－頻率變換。式中IR由內(nèi)部基準(zhǔn)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(diào)節(jié)電路的轉(zhuǎn)換增益，t1由定時(shí)元件Rt和Ct決定，其關(guān)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(zhuǎn)換結(jié)果f0，因此對(duì)元件的要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換適當(dāng)選擇。電容Cl對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒有直接的影響。但應(yīng)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(zhuǎn)換。 2.2 頻率－電壓變換器 　　由LM331構(gòu)成的頻率－電壓轉(zhuǎn)換電路如所示，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(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時(shí)， 經(jīng)微分電路R1、C1產(chǎn)生一負(fù)尖脈沖疊加到反相輸入端的Vcc上，當(dāng)負(fù)向尖脈沖大于Vcc/3時(shí)，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時(shí)電流開關(guān)打向右邊，電流源IR對(duì)電容CL充電，同時(shí)因復(fù)零晶體管截止而使電源Vcc通過電阻Rt對(duì)電容Ct充電。當(dāng)電容CL兩端電壓達(dá)到2Vcc/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，此時(shí)電流開關(guān)打向左邊，電容CL通過電阻RL放電，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時(shí)電容Ct迅速放電，完成充放電過程。此后，每當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時(shí)，電路重復(fù)上述的工作過程。從前面的分析可知，電容CL的充電時(shí)間由定時(shí)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(shí)現(xiàn)了頻率－電壓的變換。按照前面推導(dǎo)V/F表達(dá)式的方法，可得到輸出電壓VO與fi的關(guān)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(zhuǎn)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(huì)小些，電容CL小些，當(dāng)輸入脈沖頻率變化時(shí)，輸出響應(yīng)會(huì)快些。這些因素在實(shí)際運(yùn)用時(shí)要綜合考慮。 3. 應(yīng)用 　　為由兩塊LM331組成的遙測(cè)電路。在人員不能進(jìn)入或不易進(jìn)入的場(chǎng)合，通過傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)運(yùn)算放大器放大為0～10V電壓信號(hào)，由LM331進(jìn)行V/F變換為脈沖信號(hào)，通過長雙絞線傳輸?shù)綔y(cè)量室，在測(cè)量室內(nèi)通過光電轉(zhuǎn)換為幅度穩(wěn)定的脈沖電壓，此脈沖電壓再經(jīng)LM331進(jìn)行F/V變換為電壓進(jìn)行測(cè)量，從而可避免直接導(dǎo)線連接到測(cè)量室而造成的線路衰減或干擾，提高測(cè)量。 　　當(dāng)前，12位以上的A/D轉(zhuǎn)換器的價(jià)格仍較昂貴，用V/F變換器來代替A/D轉(zhuǎn)換器，在要求速度不太高的場(chǎng)合是一種較好的選擇。用LM331構(gòu)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(jí)的電壓信號(hào)經(jīng)低溫漂運(yùn)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(hào)加到單片機(jī)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，得到A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。