模擬電路的設計的藝術：LM331—電壓頻率轉換電路

經典的LM331是一個很好的學習工具，當它涉及到電壓到頻率的轉換時——這是模擬設計的主要支柱之一。

鮑勃·皮斯特別喜歡電壓-頻率轉換電路。如果你想測量一個遠程位置的電壓，可能更容易在長電線上發送一系列脈衝，而不是發送電壓本身。這些脈衝對噪音更有抵抗力，你可以從脈衝信號中清除雜訊，而不是試圖從純模擬電壓中剔除雜訊。vto - f電路也有很大的動態範圍，並將在幾十年的頻率中工作。

測量脈衝序列的頻率僅僅需要一個微控制器或邏輯電路使用一個便宜的精確晶體。這比測量電壓更划算，因為你需要一個精確的參考晶元。

儘管如此，您的系統仍然可能有一個準確的引用。當我在惠普設計汽車診斷設備時，我注意到，「你需要一個rock和一個ref。」這是一個簡單的簡寫，說你需要一個石英晶體振蕩器準確的時間，和一個好的參考測量電壓。用這兩種方法，你可以推導出電流和功率，以及你想測量的其他任何東西。在某種程度上，使用vto - f轉換器意味著您將對感測晶元的引用需求。如果你能開發一個精確的vto - f電路，那麼你就不需要一個單獨的參考晶元。

說vto - f有很大的動態範圍是說輸出是非常線性的。它是精確的在廣泛的輸入電壓和輸出頻率。與確保採樣數據系統在輸入電壓範圍內保持精確的頭痛相比，這是一個很大的問題。一旦你向一個系統增加了衰減和範圍放大器，事情就變得非常困難和複雜。

我試著用模擬開關在我工作的HP診斷設備上做一個衰減器。我在雜散電容和精度問題上有各種各樣的問題，所以我把Jim Williams叫做線性技術，現在是模擬裝置的一部分。他問我在我的Tektronix範圍內改變垂直範圍時聽到了什麼。我說我聽到繼電器點擊。威廉姆斯說，他們使用繼電器，因為在高頻率和電壓下，固態衰減器幾乎是不可能的。使用vto - f轉換器可以省去所有這些麻煩。

LM331和V-to-F

1. LM331的框圖表示一個弛豫振蕩器，它將改變輸入電壓的頻率。輸出是脈衝序列，不是方波;因此,只有一次的。(由德州儀器)

要理解vto - f轉換，LM331數據表是一個很好的起點。應用程序部分是由Pease編寫的。德州儀器公布的幾份申請報告也很可能是由皮斯寫的。這些注釋都鏈接到LM331產品頁面上。基本的應用說明，「多功能的單片V/Fs可以計算和轉換精度高，」在1980年發布，與此同時。該應用程序的說明顯示了該部分的簡單和詳細的框圖(圖1和圖2)。

2. LM331的更詳細的框圖顯示了R-S觸發器、內部帶隙電壓基準和當前鏡像。在pin 2上有帶隙輸出電壓，你也可以用它來設置帶有負載電阻的內部電流鏡。(由德州儀器)

你也可以使用LM331製造一個頻率-電壓轉換器。該應用說明「頻率-電壓轉換器使用採樣和保持來改善響應和波紋」顯示了如何在保持快速響應時間的同時移除電路的輸出紋波。你可以把它想像成同步解調的一種形式。它在波紋波形的同一點採樣輸出電壓。本說明建立在基本的F-to-V應用程序說明上，「V/F轉換器ICs處理頻率-電壓需求」。

在基本的vto -f轉換器的另一個鞋面是電流-頻率轉換器。還有另一個不錯的應用說明，「寬量程的電流-頻率轉換器」。這款應用程序說明了如何在LM331的固有寬動態範圍內構建能夠工作到輸入電流的picoamperes的電路。雖然你必須增加大量的電路來獲得這個性能，但它是LM331的多功能性的證明。

3. Boldport的人員基於LM331數據表中的一個Pease應用程序電路製作了一個漂亮的工具包。

通過我的家庭實驗室的抽屜，我發現了Boldport(圖3)的人給我的LM331電壓-頻率集成電路演示板(圖3)，Boldport的電子藝術家Saar Drimer博士，將電路板封裝在一個方便的工具包中，你可以從他的網站上購買。這個工具包有一個Bob Pease引用「我最喜歡的編程語言是solder。該工具包基於LM331數據表的圖20(圖4)。

4. 這個LM331數據表電路是Boldport工具包的基礎。該工具包為光電二極體替代了一個光電池，增加了一個輸出LED，並降低了頻率，這樣你就可以看到LED的閃爍。(由德州儀器)

Drimer增加了一個輸出LED，這樣你就可以看到輸出頻率的變化。另一個不同之處在於，當Pease被稱為光敏晶體管時，Drimer的試劑盒使用的是光傳導電池。Drimer也放慢了頻率，這樣你就能看到LED的閃爍。Micah Scott有一個視頻製作的工具包:

科學的藝術。

我們大多數人都聽說過STEM(科學、技術、工程和數學)。我第一次聽到「蒸汽」這個詞是來自我在邪惡的瘋狂科學家的朋友們。添加的「A」代表「藝術」。Boldport是工程藝術方面的倡導者，LM331 Pease PCB(印刷電路板)上的古怪痕迹就是明證。雖然電路的藝術方面似乎正在蓬勃發展，但很高興知道像吉姆·威廉姆斯這樣的模擬天才在幾十年前就用電子電路製作了作品。威廉姆斯的好朋友，馬克西姆綜合公司的萊恩·謝爾曼，甚至編了一本各種威廉姆斯作品的書(圖5)。

5. 這是吉姆·威廉姆斯的一個工作電子藝術作品，由他的朋友萊恩·謝爾曼所寫。就好像一輛數碼卡車撞上了亞歷山大·考爾德的雕塑。(Len謝爾曼的禮貌)

我們模擬人也知道，電路理論和數學基礎上有藝術。比起使用LM331，從Microchip、TI或NXP中購買一個便宜的微控制器可能更容易。事情是這樣的，LM331的設計和實現是值得理解的，這樣你就知道了模擬設計的原理。當晶元來來去去，模擬的原理是永恆的。