LM331在AD轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用

    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(jiǎn)單，價(jià)格低廉，轉(zhuǎn)換精度高等特點(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(jiǎn)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)前最簡(jiǎn)單的一種高精度V/F轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長(zhǎng)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(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, 最大非線性失真小于0. 01 % , 工作頻率低到0. 1Hz 時(shí)尚有較好的線性;變換精度高數(shù)字分辨率可達(dá)12 位; 外接電路簡(jiǎn)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)換精度。

 
圖2電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路

     圖2是我們常用的一種壓頻轉(zhuǎn)換電路，按照?qǐng)D2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)換精度，為克服此缺點(diǎn)，高精度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

         
  圖3 LM331實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換框架圖

     圖3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)存儲(chǔ)器或外部數(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與單片機(jī)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(jiǎn)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)換精度需要而定,如果取轉(zhuǎn)換精度為12位，最高頻率為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(jiǎn)單,成本低，測(cè)量精度高并且轉(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。