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)用在自動化領(lǐng)域中,由于應(yīng)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(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)信號的采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換，而AD574和ADC0809等A/D轉(zhuǎn)換器價格較貴，線路復(fù)雜,從而提高了產(chǎn)品價格和項目的費用.在本文中,從實際應(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轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號，就完成了A/D轉(zhuǎn)換。它與AD574等電路相比，具有接線簡單，價格低廉，轉(zhuǎn)換精度高等特點，而且LM331芯片在轉(zhuǎn)換過程中不需要軟件程序驅(qū)動，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(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時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(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(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，按照圖2設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。由于LM331的轉(zhuǎn)換線性度直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的準確性，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，高精度V/F轉(zhuǎn)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(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)字信號變換

圖3 LM331實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換框架圖

圖3中,模擬信號經(jīng)壓/頻轉(zhuǎn)換器LM331,把電壓信號轉(zhuǎn)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(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)知道模擬信號的大小,從而實現(xiàn)了模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)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)。基準頻率，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(nèi)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(zhuǎn)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(shè)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(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(diào)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù) ,改變定時初值,可調(diào)節(jié)A/D轉(zhuǎn)換位,如13位,14位等.

結(jié)論:

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