引言:
數據的采集與處理廣泛地應用在自動化領域中,由于應用的場合不同,對數據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轉換電路來實現信號的采集與模數轉換，而AD574 和ADC0809等A/D轉換器價格較貴，線路復雜,從而提高了產品價格和項目的費用.在本文中,從實際應用出發,給出了一種應用V/F轉換器LM331 芯片組成的A/D轉換電路，V/F轉換器LM331芯片能夠把電壓信號轉換為頻率信號，而且線性度好，通過計算機處理，再把頻率信號轉換為數字信號，就完 成了A/D轉換。它與AD574等電路相比，具有接線簡單，價格低廉，轉換精度高等特點，而且LM331芯片在轉換過程中不需要軟件程序驅動，這與 AD574等需要軟件程序控制的A/D轉換電路相比，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轉換器、A/D轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器以及其它相關的器件。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,內部相當于脈沖恒流源,脈沖寬度與內部單穩態電路相同;腳2 為輸出端脈沖電流幅度調節,RS 越小,輸出電流越大;腳3 為脈沖電壓輸出端,
OC 門結構,輸出脈沖寬度及相位同單穩態,不用時可懸空或接地;腳4 為地;腳5 為單穩態外接定時時間常數RC ;腳6 為單穩態觸發脈沖輸入端,低于腳7 電壓觸發有效,要求輸入負脈沖寬度小于單穩態輸出脈沖寬度Tw ;腳7 為比較器基準電壓,用于設置輸入脈沖的有效觸發電平高低;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成V/ F 或F/ V 等變換電路,并且容易保證轉換精度。
圖2電壓-頻率轉換電路
圖2是我們常用的一種壓頻轉換電路，按照圖2設計電路, 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 經積分器LF356積分處理后,在INPUT端變成與輸入電壓 成正比的穩定電流輸入,通過LM331芯片進行V/F轉換后,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/定時端口,計算機 對頻率信號進行采集、處理、存儲。從而實現模擬信號到數字信號的轉換。由于LM331的轉換線性度直接影響轉換結果的準確性，而通常引起V/F轉換產生非 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，因而影響轉換精度，為克服此缺點，高精度V/F轉換器在1腳和7腳間加入了一個 積分器，這個積分器是由常規運放LF356和積分電容C4構成的反積分器。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-數字信號變換
圖3 LM331實現A/D轉換框架圖
圖 3中,模擬信號經壓/頻轉換器LM331,把電壓信號轉化為脈沖信號,脈沖信號送到計算機的計數/定時端口,有計算機對頻率信號進行接收、處理、儲存。由 于壓/頻轉換器LM331的壓/頻轉換關系成線性,所以我們可以根據采集到頻率數據知道模擬信號的大小,從而實現了模擬信號到數字信號的轉換.頻率計數 器、定時器可以使用計算機的計數/定時端口，通過軟件編程實現。基準頻率，數據處理也是通過軟件編程實現，數據可以儲存到內部數據存儲器或外部數據存儲器 中。
三. 計算機軟件編程
LM331要實現A/D轉換,需與計數器配合使用.LM331的輸出端FOUT與單片機計數器T0端口連接,定時器T1用于定時,由公式f=D/T,D是 計數值;T是計數時間.計數時間T由定時器T1確定,通過計算得出FOUT,然后進行數據處理與存儲.簡要程序及說明如下:
主程序MAIN設置定時器T0、T1工作方式分別為16位計數和定時,并置初值,T1開中斷,T1的定時時間根據轉換精度需要而定,如果取轉換精度為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DATA子程序主要是進行數據處理并存儲,得到的數據就是12位A/D轉換數據 ,改變定時初值,可調節A/D轉換位,如13位,14位等.
結論:
運用LM331實現A/D轉換, 具有電路簡單,成本低，測量精度高并且轉換位數可調的特點,在實際工作之前,對電路器件參數進行調校,調校之后,系統穩定性好.與AD574等電路相比，價格便宜幾倍。