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13. LM331在焊接自动化中的应用
1、LM331 器件概述
LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/ D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331 采用了新的温度补偿能隙基准电路, 在整个工作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有极高的精度。LM331 的动态范围宽, 可达 100dB ; 线性度好, 最大非线性失真小于 0.01% ,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位; 外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F 或 F/V 等变换电路,并且容易保证转换精度。
引脚号
引脚名
功能
1
Current Output
电流输出
2
Ref Current
基准电流
3
Frequency Output
频率输出
4
GND
接地
5
R/C
接 RC 定时电路
6
Threshold
阈值
7
Comparator Input
比较输入
8
VS
电源
2、LM331 器件管脚图及管脚功能

3、LM331 内部功能图
LM331 的内部电路组成如右图所示由输入比较器、定时比较器、R-S 触发器、输出驱动管、复零晶体管、 能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成输出驱动管采用集电极开路形

式,因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻,灵活改变输出脉冲的逻辑电平,以适配 TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。LM331可采用双电源或单电源供电,可工作在4.0～40V之间,输出可高达40V,而且可以防止 V cc 短路。
4、LM331在焊接自动化中的应用
随着自动化技术的飞速发展，传感技术在焊接生产领域得到了广泛应用。如焊接过程中焊接质量的监控、焊接生产过程的自动化等都需要测量焊接过程中的有关参数，并以此为依据进行自动控制。没有传感器，就不可能实现自动检测和控制。
在焊接自动化系统中，往往需要对传感器输出的信号进行转换，已达到系统控制所要求的信号，这就需要采用信号转换电路。
LM331可以用作精密频率电压转换器、A/ D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。
（1）电压-频率（U/f）变换器工作原理
由 LM331 组成的电压—频率变换电路。外接电阻 Rt 、Ct和定时比较器、复零晶体管、R-S触发器 等构成单稳定时电路。当输入端 Vi+输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使R-S触发器置位,Q输出高电平,输出驱动管导通,输出端fo为逻辑低电平,同时,电流开关打向右边,电流源 IR 对电容CL 充电。此时由于复零晶体管截止,电源 V cc 也通过电阻 Rt 对电容 Ct 充电。当电容 Ct 两端充电电压大于 V cc 的2/3 时,定时比较器输出一高电平, 使 R-S 触发器复位,Q 输出低电平,输出驱动管截止,输出端 fo 为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容 Ct 通过复零晶体管迅速放电;电流开关打向左边,电容 CL 对电阻 RL放电。当电容 CL 放电电压等于输入电压 Vi 时,输入比较器再次输出高电平,使 R-S触发器置位,如此反复循环,构成自激振荡。右图画出了电容 Ct、 CL 充放电和输出脉冲 f0 的波形。设电容 CL 的充电时间为 t1,放电时间为 t2,则根据电容 CL 上电荷平衡的原理,就可以得出: 　　
(IR-VL/RL)t1=t2VL/RL
图为电容充放电输出波形图： 　　
从上式可得:f0=1/(t1+t2)=VL/(RLIRt1)
实际上,该电路的VL 在很少的范围内(大约10mV)波动,因此, 可认为VL=Vi,故上式可以表示为: f0==Vi/(RLIRt1)
可见,输出脉冲频率 f0 与输入电压 Vi成正比,从而实现了电压-频率变换。式中 IR 由内部基准电压源供给的 1.90V 参考电压和外接电阻 Rs 决定,IR=1.90/Rs,改变 Rs 的值,可调节电路的转换增益,t1 由定时元件 Rt 和 Ct 决定,其关系是：t1=1.1RtCt, 典型值 Rt=6.8kΩ,Ct=0.01µF,t1 =7.5µs。由 f0=Vi/(RLIRt1)可知,电阻 Rs、RL、Rt 和电容 Ct 直接影响转换结果 f0,因此对元件的精度要有一定的要求,可根据转换精度适当选择。电容CL 对转换结果虽然没有直接的影响。但应选择漏电流小的电容器。电阻 R1 和电容 C1 组成低通滤波器, 可减少输入电压中的干扰脉冲, 有利于提高转换精度。
（2）频率－电压（f/U）变换器
由 LM331 构成的频率－电压转换电路，输入脉冲fi经R1、C1 组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻R2、R3 分压而加有约2Vcc/3 的直流电压，反相输入端经电阻R1 加有V cc 的直流电压。当输入脉冲的下降沿到来时，经微分电路R1、C1 产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的V cc 上，当负向尖脉冲大于V cc/3 时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源IR对电容CL充电，同时因复零晶体管截止而使电源V cc 通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容CL两端电压达到2Vcc/3时，定时比较器输出高电平使触发器复位，此时电流开关打向左边，电容CL通过电阻RL放电，同时，复零晶体管导通，定时电容Ct迅速放电，完成一次充放电过程。此后，每当输入脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。从前面的分析可知，电容CL 的充电时间由定时电路Rt、Ct 决定，充电电流的大小由电流源IR 决定，输入脉冲的频率越高，电容CL 上积累的电荷就越多输出电压(电容CL 两端的电压)就越高，实现了频率－电压的变换。按照前面推导V/F 表达式的方法，可得到输出电压VO 与fi 的关系为：VO=2.09RlRtCtfi/Rs
电容 C1 的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输入比较器，但电容C1 小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻RL和电容CL 组成低通滤波器。电容CL 大些，输出电压VO的纹波会小些，电容CL 小些，当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。这些因素在实际运用时要综合考虑。

5、总结
综上所述，LM331芯片在焊接自动化中可以用作（U/f）转换器，与此同时它还用作于（f/U）转换器。这样能够对传感器输出的信号进行转换，从而达到系统控制所需要的信号。从而更好的实现传感技术在焊接生产中自动检测和控制，在焊接自动化中的到更广泛的应用。