3.4.1电压-频率变换器LM331的介绍
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。LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚为:
图3.6 LM331 引脚图
引脚功能:
引脚1（PIN1）:为电流源输出端，在f０（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源ＩＲ输出对电容CL充电。
引脚2（PIN2）:为增益调整，改变ＲＳ的值可调节电路转换增益的大小。 引脚3（PIN3）:为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由Ｒt和Ｃt决定。
引脚4（PIN4）:为电源地。
引脚5（PIN5）:为定时比较器正相输入端。 引脚6（PIN6）:为输入比较器反相输入端。 引脚7（PIN7）:为输入比较器正相输入端。 引脚8（PIN8）:为电源正端。
如图3.7所示：LM331 内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S 触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）
精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此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，从而适应TTL、DTL 和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331 可采用单/双电源供电，电压范围为4～40V，输出也高达40V。
图3.7 LM331 V/F转换图
3.4.2继电器模块基本原理结构
电网电压经单相整流后转换为直流电压信号，通过V/F转换器把传感器输出的电压信号转换成相对应的频率信号，采用光电耦合器将频率信号传输到单片机，利用单片机内部的定时／计数器测量信号频率，采用单片机强运算功能，根据电压与频率的线性关系计算电压值。图3.8为该系统结构图。
图3.8智能继电器的系统框图
3.4.3整流模块设计
在线路保护中,单片机要知道被保护线路的电压值才能判断继电器是否需要动作。LM331并不能直接将交流电压转换为脉冲输出,故电压为交流时,要先
将交流电整流后方可进行。LM331的最大输出频率为100kHZ,为使LM331的输入端电压Vi与输出端频率保持f0良好的线性关系,且f0不超过满刻度频率范围,Vi最好不要过大。电路
设计时,将整流后的直流电压经过分压电路送到LM331的输入端。
图3.9整流分压电路
3.4.4 V/F转换器LM331模块
LM331是通用型V/F转换器，频率范围为1-100kHz，最大非线性误差为0.01%，最大温漂为50ppm/℃，电源范围为4-40V，输入电压范围为0.2V-VS。当4.5V≤VS≤10V时．电源电压对增益的影响为0.1％V；当10V≤VS≤40V时，电源电压对增益的影响为0.06％V。LM331的V/F转换外部电路，如图3.10所示:
图3.10 LM331F/V转换电路原理图
图3.10中，输出频率Fout=K*Vi，其中K=Rs/(2.09RtCtRL)。选用典型值Rt=6.8kΩ，RL=100kΩ，Ct=0．0lμF。系统中，取K=1000，故Rs=14.212kΩ。电路中Rs用一只12kΩ的固定电阻和一只5kΩ的可调电阻串联组成，用于调整LM33l的增益偏差和RL，Rt，Ct所引起的偏差。C1为滤波电容，一般取在0．01-0．1μF，在滤波效果较好的情况下，C1采用lμF的电容。为了提高精度及稳定性，以上阻容元件选用低温度系数的器件，我们选用金属膜电阻和聚苯乙烯或聚丙稀电容器。 3.4.5光电耦合器6N137
在采用两点以上接地的检测或控制系统中，为了抑制地电位差形成的干扰，运用隔离技术切断环路电流是非常有效的方法。从原理上，隔离技术可分为电磁隔离和光电隔离。光电隔离是在两个电路间加入一个光电耦合器，光电耦合器的线性范围有限，用于数字信号传输。同时，光电耦合器的体积小，转换速度快，因而广泛应用于由微机构成的检测或控制系统。采用光电耦合器隔离V／F转换器与单片机，增强系统的抗干扰能力，防止因外部环境恶劣而导致的单片机死机或程序跑飞，同时对单片机也起到电气保护作用。这里选用TOSHIBA的6N137型光电耦合器。图3.11为6N137的典型应用电路。
图3.11 6N137典型应用电路
6N137的引脚2为信号输入端，当输入信号为高电平时，发光二极管发光，反向偏置的光敏管光照后被导通，经电流-电压转换送到与门，与门的另一输入端(引脚7)为使能端，当使能端为高电平时，信号输出端(引脚6)输出低电平。当输入信号为低电平时，输出为高电平。Vcc(引脚8)和地(引脚5)之间必须接