基于LM331的电压-频率转换电路详细介绍

目录1.LM331简介2.引脚分布与功能3.LM331的功能框图4.V/F转换的工作原理5.LM331的V/F转换电路1.LM331简介LM331是由美国NS公司（已被TI公司收购）生产的高精度频率-电压转换芯片，可以用于AD转换、频率-电压转换、电压-频率转换和转速测量等。当用作频率-电压转换时输出频率与输入电压成正比例关系，线性失真最大为0.01%。动态范围广，最大可达100 dB；温度稳定性

小杨同学呀

25968人浏览 · 2021-05-06 08:50:38

小杨同学呀 · 2021-05-06 08:50:38 发布

1.LM331简介

LM331是由美国NS公司（已被TI公司收购）生产的高精度频率-电压转换芯片，可以用于AD转换、频率-电压转换、电压-频率转换和转速测量等。

当用作频率-电压转换时输出频率与输入电压成正比例关系，线性失真最大为0.01%。动态范围广，最大可达100 dB；温度稳定性高，温度系数为±50ppm/℃；工作范围广（1 Hz-100 kHz）；外接电路简单，只需要几个电阻、电容就可以构成V/F或者F/V电路；开集输出，可以根据外接电源匹配所有的逻辑电平（4-40V）；功耗低，在5 V时仅为15 mW；可以驱动3个TTL负载。

2.引脚分布与功能

LM331的引脚分布如图1所示，各引脚功能如表1所示：

图1 LM331的引脚分布

表1 LM331的引脚功能

引脚	功能	描述
1	电流输出	内部接镜像恒流源，大小与RS有关
2	参考电流	接可变电阻RS，校正RL、Rt和Ct引起的误差
3	频率输出	OC门，需要上拉电阻
4	参考地
5	RC滤波输入	通过电阻Rt接VCC，通过电容Ct接地
6	阈值输入	内部接比较器反相端
7	比较器输入	电压输入端
8	供电电源	正常工作范围4~40V

3.LM331的功能框图

如图2所示，LM331主要由镜像电流源、电流开关、电流泵、带隙基准电压、R-S触发器、输入比较器、定时比较器、输出驱动管、输出保护管和复位晶体管等部分组成。其中，带隙基准电路用来向各个电路提供偏置电流；电流泵使引脚2的电压维持在1.90V；镜像电流源使1脚电流与2脚的相等；输入比较器的同相输入端（引脚7）接待转换的电压；反相端（引脚6）接1脚，并与RC电路相连；输出驱动管采用集电极开路的方式，可以根据外接电源改变输出脉冲的逻辑电平（引脚3），以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

图2 LM331的功能框图

4.V/F转换的工作原理

当引脚7输入正电压Vi时，输入比较器输出高电平，使R-S触发器置位，Q端输出高电平，输出驱动管T1导通，引脚3输出低电平。同时，镜像电流源接通引脚1，对电容CL充电。此时，由于复位晶体管截止，电源VCC通过电阻Rt对电容Ct充电。当Ct两端电压高于2/3VCC，且引脚6电压大于引脚7时，定时比较器输出高电平，使R-S触发器复位，Q端输出低电平，输出驱动管截止，引脚3在上拉电源的作用下输出高电平。同时，复位晶体管导通，电容Ct放电。此时，电流开关打向另一边，电容CL通过电阻RL放电。当电容CL两端电压小于等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，R-S触发器置位，循环往复，构成自激。当引脚5的电压高于2/3VCC时，若引脚7的电压大于引脚6，触发器不会被复位，引脚6的电压会持续升高直至引脚7的电压低于引脚6。这种情况通常用于启动条件或者输入信号过载时，当输入信号过载时，频率输出为0。当输入信号恢复正常后，输出频率将正常工作。

根据充放电过程中电容CL的电荷平衡可知：

其中，t1为电容CL的充电时间，t1=1.1RLCL，t2为电容CL的放电时间。UL为充电结束时RL两端的电压，与输入比较器同相输入端的大小相等，为Vi。i由镜像电流源提供，大小由能隙基准电路的参考电压1.90V和外接电阻RS决定。

由此可得：

$F_{0}=\frac{1}{t_{1}+t_{2}}=\frac{V_{i}R_{S}}{2.09R_{L}R_{t}C_{t}}$

当RL、Rt、Ct和RS的大小一定时，输出频率Fo与输入电压Vi成正比关系，实现V/F变换。

5.LM331的V/F转换电路

LM331用于V/F转换的电路如图3所示，其中CIN为滤波电容，大小一般为0.1μF；为了提高转换精度，RIN的大小一般为100 kΩ。所有的器件都应该尽量选用温度稳定性高的材质，比如金属膜电阻。电容最好选择NPO陶瓷、聚苯乙烯、聚四氟乙烯或者聚丙烯等材质的。2脚可以串联一个固定电阻和一个可调电阻，以用来调整Rt、Ct和RL引起的误差。用47Ω的电阻和1μF的电容串联接地，可以提高线性度。CL大小虽然不会直接影响到转换结果，但是应该尽量选择漏电流小的电容。R1和R2用来调整零点输出。输出频率与输入电压的关系为：