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目錄
1.LM331簡介
2.引腳分布與功能
3.LM331的功能框圖
4.V/F轉換的工作原理
5.LM331的V/F轉換電路
1.LM331簡介
LM331是由美國NS公司（已被TI公司收購）生産的高精度頻率-電壓轉換晶片，可以用于AD轉換、頻率-電壓轉換、電壓-頻率轉換和轉速測量等。
當用作頻率-電壓轉換時輸出頻率與輸入電壓成正比例關系，線性失真最大為0.01%。動态範圍廣，最大可達100 dB；溫度穩定性高，溫度系數為±50ppm/℃；工作範圍廣（1 Hz-100 kHz）；外接電路簡單，隻需要幾個電阻、電容就可以構成V/F或者F/V電路；開集輸出，可以根據外接電源比對所有的邏輯電平（4-40V）；功耗低，在5 V時僅為15 mW；可以驅動3個TTL負載。
2.引腳分布與功能
LM331的引腳分布如圖1所示，各引腳功能如表1所示：
圖1 LM331的引腳分布
表1 LM331的引腳功能
| 引腳 | 功能 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | 電流輸出 | 内部接鏡像恒流源，大小與RS有關 |
| 2 | 參考電流 | 接可變電阻RS，校正RL、Rt和Ct引起的誤差 |
| 3 | 頻率輸出 | OC門，需要上拉電阻 |
| 4 | 參考地 | |
| 5 | RC濾波輸入 | 通過電阻Rt接VCC，通過電容Ct接地 |
| 6 | 門檻值輸入 | 内部接比較器反相端 |
| 7 | 比較器輸入 | 電壓輸入端 |
| 8 | 供電電源 | 正常工作範圍4~40V |
3.LM331的功能框圖
如圖2所示，LM331主要由鏡像電流源、電流開關、電流泵、帶隙基準電壓、R-S觸發器、輸入比較器、定時比較器、輸出驅動管、輸出保護管和複位半導體等部分組成。其中，帶隙基準電路用來向各個電路提供偏置電流；電流泵使引腳2的電壓維持在1.90V；鏡像電流源使1腳電流與2腳的相等；輸入比較器的同相輸入端（引腳7）接待轉換的電壓；反相端（引腳6）接1腳，并與RC電路相連；輸出驅動管采用集電極開路的方式，可以根據外接電源改變輸出脈沖的邏輯電平（引腳3），以适配TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。
圖2 LM331的功能框圖
4.V/F轉換的工作原理
當引腳7輸入正電壓Vi時，輸入比較器輸出高電平，使R-S觸發器置位，Q端輸出高電平，輸出驅動管T1導通，引腳3輸出低電平。同時，鏡像電流源接通引腳1，對電容CL充電。此時，由于複位半導體截止，電源VCC通過電阻Rt對電容Ct充電。當Ct兩端電壓高于2/3VCC，且引腳6電壓大于引腳7時，定時比較器輸出高電平，使R-S觸發器複位，Q端輸出低電平，輸出驅動管截止，引腳3在上拉電源的作用下輸出高電平。同時，複位半導體導通，電容Ct放電。此時，電流開關打向另一邊，電容CL通過電阻RL放電。當電容CL兩端電壓小于等于輸入電壓Vi時，輸入比較器再次輸出高電平，R-S觸發器置位，循環往複，構成自激。當引腳5的電壓高于2/3VCC時，若引腳7的電壓大于引腳6，觸發器不會被複位，引腳6的電壓會持續升高直至引腳7的電壓低于引腳6。這種情況通常用于啟動條件或者輸入信号過載時，當輸入信号過載時，頻率輸出為0。當輸入信号恢複正常後，輸出頻率将正常工作。
根據充放電過程中電容CL的電荷平衡可知：
其中，t1為電容CL的充電時間，t1=1.1RLCL，t2為電容CL的放電時間。UL為充電結束時RL兩端的電壓，與輸入比較器同相輸入端的大小相等，為Vi。i由鏡像電流源提供，大小由能隙基準電路的參考電壓1.90V和外接電阻RS決定。
由此可得：
當RL、Rt、Ct和RS的大小一定時，輸出頻率Fo與輸入電壓Vi成正比關系，實作V/F變換。
5.LM331的V/F轉換電路
LM331用于V/F轉換的電路如圖3所示，其中CIN為濾波電容，大小一般為0.1μF；為了提高轉換精度，RIN的大小一般為100 kΩ。所有的器件都應該盡量選用溫度穩定性高的材質，比如金屬膜電阻。電容最好選擇NPO陶瓷、聚苯乙烯、聚四氟乙烯或者聚丙烯等材質的。2腳可以串聯一個固定電阻和一個可調電阻，以用來調整Rt、Ct和RL引起的誤差。用47Ω的電阻和1μF的電容串聯接地，可以提高線性度。CL大小雖然不會直接影響到轉換結果，但是應該盡量選擇漏電流小的電容。R1和R2用來調整零點輸出。輸出頻率與輸入電壓的關系為：
圖3 LM331的V/F轉換電路
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