Conversores Tensión - Frecuencia y Frecuencia - Tensión

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1 Universidad Nacional de Rosario Faculad de Ciencias Exacas, Ingeniería y Agrimensura Escuela de Ingeniería Elecrónica A-15 - Disposiivos y Circuios Elecrónicos II A-15 Disposiivos y Circuios Elecrónicos II Ingeniería Elecrónica Conversores Tensión - Frecuencia y Frecuencia - Tensión Auores: Ing. Sergio Eberlein (Profesor Asociado) Ing. Osvaldo Vázquez (Profesor Adjuno) Edición

2 Índice Índice Inroducción: Objeivos y conocimienos para el coloquio: Conversores Tensión Frecuencia y Frecuencia Tensión El conversor LM Diagrama inerno LM331: El LM331 como conversor frecuencia a ensión El LM331 como conversor ensión a frecuencia Caracerísicas principales del LM331: El conversor LM Crierios para la elección de R1,C1,C2 para un mejor funcionamieno: Caracerísicas principales del LM Bibliografía:

3 1. Inroducción: Hoy en día, el hecho de conseguir un microconrolador de 8 pines por aproximadamene 1 dólar hace que el uso de gran variedad de circuios con funciones especificas sean ya de poca uilización para nuevos diseños. No obsane, algunos de ellos pueden enconrarse con mucha frecuencia en gran canidad de equipos. Además, el esudio de esos inegrados nos permiirá familiarizarnos con la forma de presenación de sus presaciones por pare de los fabricanes. 1.1 Objeivos y conocimienos para el coloquio: Se preende que el alumno pueda reconocer los parámeros más imporanes de cada circuio inegrado específico y poder individualizarlos en las hojas de daos correspondienes. Deberá, ambién, poder idenificar en el circuio inerno las principales eapas de los circuios inegrados esudiados en clase. 2. Conversores Tensión Frecuencia y Frecuencia Tensión. La función de un conversor ensión frecuencia es la de converir una señal analógica a una serie de pulsos. La principal aplicación de ese disposiivo es la implemenación en una manera muy sencilla de una conversión analógica a digial. La razón para realizar ese ipo de conversión es que es mucho mas fácil ransmiir y decodificar con precisión una serie de pulsos que una señal analógica, sobre odo, si la disancia a la que se debe ransmiir la señal es larga y ruidosa. En esos casos se colocará al final de la línea de ransmisión, un conversor frecuencia ensión para obener nuevamene una señal analógica. La aplicación mas común de los conversores frecuencia ensión esa dada en la medición de velocidad de moores donde una serie de pulsos, proporcional a la velocidad del moor, es ransformada en una señal analógica para ser medida y quizás ambién uilizada para realizar un conrol de la velocidad. Usualmene los conversores ensión frecuencia iene especificaciones mas esricas que un VCO (oscilador conrolado por ensión), circuio sobre el cual ya dimos algún ejemplo prácico en el ema de AO. 3

4 Las especificaciones necesarias para una buena conversión son: a. Un rango dinámico amplio (cuaro décadas o más). b. Bajo error de linealidad (desviación de la reca de proporcionalidad V = k F), en general menor al 0.1 %. c. Precisión y esabilidad (con la emperaura y variaciones de la ensión de alimenación) en el facor de escala k de la conversión. Exisen dos formas de consruir un conversor ensión frecuencia, una es a parir de un VCO al que se le ajusan lo más posible las especificaciones de diseño y la ora es a ravés de configuraciones circuiales de balanceo de carga. Nosoros esudiaremos dos circuios inegrados que se basan en el principio de balanceo de cargas. 3. El conversor LM331. El conversor LM331 es un inegrado de gran versailidad que puede operar con fuene simple y con errores acepables en el rango de 1 Hz a 10 KHz. Esa pensado para realizar ano la conversión ensión frecuencia, como para la conversión frecuencia ensión. 4

5 3.1 Diagrama inerno LM331: El disposiivo consa de una referencia de ensión (Band-gap) de 1,9V muy esable érmicamene y que rabaja bien en un amplio rango de ensiones de alimenación que va desde 4V a 40V. La ensión de referencia se copia en el pin 2 mediane un AO que se encuenra realimenado negaivamene a ravés de la junura B-E de Q1. De esa forma, la corriene de referencia que sale por el pin 2 viene dada por I = 1,9V/ Rs, siendo Rs la resisencia exerna conecada en ese pin. Esa corriene I se copia mediane un espejo de corriene de precisión y se envía a una llave (SW) que se conecara con la salida (pin 1) o se derivara a masa dependiendo del esado en la salida Q del F-F. Ese úlimo es un F-F RS asincrónico y esa comandado por dos comparadores formados por AO2 y AO3; el primero seeara el F-F cuando la ensión en el pin 7 sea mayor o igual a la del pin 6 y el segundo reseeara el F-F cuando la ensión en el pin 5 alcance 2/3 de Vcc. A la vez que se reseea el F-F, al esar Q negado en esado alo, se saura Q2 y se coneca el pin 5 a masa, con lo que el AO3 conmua nuevamene y R vuelve a cero. 5

6 En el caso que S siga en esado alo (V7 > V6) cuando la ensión en el pin 5 alcanza los 2/3 de Vcc, enonces el F-F no se reseeará y la salida de corriene seguirá conecada. Por úlimo, el F-F ambién comanda la salida de frecuencia (pin 3) mediane el ransisor Q3 y mediane Q4 se proege la salida por sobrecarga de corriene. 3.2 El LM331 como conversor frecuencia a ensión. En la siguiene figura vemos un circuio ípico de aplicación sugerido por el fabricane en las hojas de daos del circuio inegrado para la conversión frecuencia - ensión. La enrada esa formada por un filro pasa alos con una frecuencia de core mucho mayor que la máxima de enrada, lo que hace que el pin 6 vea solo los salos de la onda de enrada y de esa forma se obiene una serie de 6

7 pulsos posiivos y negaivos monados sobre la coninua Vcc. Por oro lado, la ensión en el pin 7 esa fijada por el divisor resisivo y es aproximadamene ( 0,87 x Vcc ). Cuando el pulso negaivo hace que V6 baje sobre el nivel de V7, el comparador (AO2) conmua su salida a un esado alo y seea el F-F llevando a la llave SW a ON y conecando la corriene I con la salida (pin 1). Cuando el nivel de V6 vuelve a superar a V7, el se se hace cero nuevamene pero el F-F maniene su esado anerior. A la vez que se produce el seeo del F-F, el ransisor Q2 enra en core y comienza a cargarse C a ravés de R. Esa condición se maniene (durane c) hasa que la ensión en el pin 5 alcanza 2/3 de Vcc; un insane después el comparador (AO3) reseea el F-F llevando a la llave SW a OFF; al mismo iempo, Q negado hace que el ransisor Q2 conduzca y el capacior se descarga rápidamene. Eso hace que el comparador vuelva a conmuar llevando el rese a cero. Ese esado se maniene hasa que el F-F se seéa con el inicio de un nuevo período de la frecuencia de enrada y el ciclo se repie. Es imporane noar que el iempo de carga c del capacior debe ser menor al período Ti de la frecuencia de enrada, para que el F-F pueda reseearse anes que comience un nuevo ciclo. La corriene de salida en el pin 1 endrá enonces un valor I durane un iempo c (independiene de la frecuencia de enrada) y será cero durane el reso del período (Ti c), o sea que, a mayor frecuencia, ese iempo es menor, y en promedio se obiene un mayor nivel de volaje en Vou. Un filro pasa bajos en la salida da como resulado un nivel de coninua Vou que es proporcional a la frecuencia de enrada f in. 7

8 V i V 6 Vcc V 7 V 5 2/3 Vcc Se Rese I 1 Vou c sin CL con CL T i 8

9 El iempo c se calcula resolviendo la ecuación exponencial de carga de un capacior a ravés de una resisencia, resulando c 1,1 R. C De esa forma inegrando la ensión de salida Vou (valor medio de la señal): ,9 V Vou Vou d RL i d RL. d T i T i T i RS Luego inegrando en el iempo c que la corriene es disina de cero, resula: 1 1,9 V 1 1,9 V Vou RL C RL 1,1 R C Ti RS Ti RS Generalizando la ecuación eórica, agregando el facor G (facor de conversión de escala, dado por el fabricane, que conempla las no idealidades y dispersiones inernas del circuio inegrado) resula: 1 RL Vou. f. 2,09.. R. C G in Rs Observar que las limiaciones de frecuencia máxima se dan cuando el periodo de enrada se aproxima al iempo de carga c. Y las limiaciones de frecuencia mínima se darán cuando el período de enrada se haga comparable con la consane de iempo elegida para el filro de salida. Observación concepual: En resumen la función ransferencia Vou K. f in (lineal) se logra inegrando la salida Ii en el iempo Ti. Por ello el iempo mínimo Ti (f i max) debe ser menor que Tc (el cual es un iempo fijo). 9

10 3.3 El LM331 como conversor ensión a frecuencia. En la siguiene figura vemos un circuio ípico de aplicación sugerido por el fabricane en las hojas de daos del circuio inegrado para la conversión ensión - frecuencia. Ri = 100K Vi 12K Ci = 0.1µ 5K Vcc RL=100K CL=1µ Vo 10K R = 6,8K Vcc C = 0.01µ Podemos ver en la figura, que en el comparador (AO2) endremos, en una de sus enradas (pin 7), la ensión de enrada Vi, la cual será una referencia de ensión con la que se comparará la ensión (V6) del capacior CL, colocado exernamene en la ora enrada del comparador (pin 6). La salida del comparador AO2 conrola el SET del F-F, poniendo el SET en 1 cuando la ensión de enrada es mayor que V6 y en 0 cuando es menor. El RESET del F-F esá conrolado por oro comparador (AO1). Ése se pone en 1 cuando la ensión en el capacior exerno C es menor que 2/3 Vcc y en 0 cuando es mayor. 10

11 Cuando la salida (Q) del F-F esá en 1, se cierra el inerrupor permiiendo que la fuene de corriene cargue al capacior CL. De esa forma el capacior CL se cargará hasa que se acive el RESET del F-F, es decir cuando C se cargue a 2/3 Vcc. Ese iempo, como vimos, se calcula resolviendo la ecuación de carga de un capacior a ravés de una resisencia y da un c 1,1 R. C. Enonces, cuando acúa el RESET, la carga en el capacior C vuelve a cero a ravés de Q2 que se saura debido a que la salida negada Q del F-F se pone en 1 provocando además que el RESET vuelva a 0. Si V6 supero en c a la ensión de enrada Vi la salida del AO2 esa en 0 y la ensión en el capacior CL comienza a descargarse a ravés de RL. Cuando V6 sea menor a la señal de enrada Vi, la salida del AO2 se pone en alo disparando la enrada SET del F-F, comenzando de esa forma un nuevo ciclo. Así el régimen permanene se esablecerá cuando la señal de enrada sea igual a la ensión V6, por su pueso con un ciero ripple, el cual es responsable del funcionamieno del circuio, maneniendo el equilibrio dinámico del sisema. En oras palabras, el equilibrio se da cuando la carga ganada por el capacior CL durane el iempo c sea igual a la carga perdida durane el reso del ciclo (To c) en el cual se descarga a ravés de RL. La salida Q del F-F conrolará el ransisor de salida Q3 que proporcionará una señal de salida de frecuencia proporcional a la ensión de enrada. De esa forma el balance de carga da origen a la ecuación del sisema: fo V 1. in R G s 2.09 V RL R C Como anes la fuene de corriene puede ser elegida a ravés de una resisencia Rs conecada al pin 2 del CI. En ese pin se asegura una ensión esable de 1.9V gracias a la referencia Band-gap. Así la corriene puede calcularse como i = 1.9 V / Rs. A la enrada del circuio, en el pin 7, se coloca una resisencia de 100K para eliminar el error en la frecuencia de salida debido a las corrienes de polarización (ípicamene 80nA). Observar que es de igual valor que la resisencia RL conecada al pin 6. Luego puede observarse en el diagrama un capacior Ci para filrar la señal de enrada en caso de que esé acoplada con un ruido de ala frecuencia que pueda afecar la salida. Finalmene, a ravés del poenciómero conecado al pin 2, se inena compensar la dispersión de R, RL y C para igualar la ganancia prácica a la ganancia eórica dada por la ecuación de escala del sisema. 11

12 3.4 Caracerísicas principales del LM331: En las hojas de daos del fabricane enconramos los siguienes daos que consideramos los más relevanes a la hora de elegir un conversor: Error de no linealidad de la escala (Tmin < T < Tmax): ± 0,02 % de fondo de escala Error de no linealidad de la escala (circuio ípico de aplicación)): ± 0,14 % de fondo de escala Facor de conversión de la escala (ganancia): G min = 0,90 G ip = 1,00 G max = 1,10 Cambio de la ganancia con Vcc (de 4,5 V a 10 V): ± 0,1 % / V Esabilidad en emperaura de la ganancia: ± 50 ppm / ºC Esabilidad de la ganancia en el iempo (sobre 1000 hs): ± 0,02 % de fondo de escala Referencia de volaje (pin 2): V min = 1,70 V V ip = 1,89 V V max = 2,08 Esabilidad en emperaura: ± 60 ppm / ºC Esabilidad en el iempo (sobre 1000 hs): ± 0,1 % Fuene de corriene (pin 1): I min = 116 µa I ip = 136 µa I max = 156 µa En las hojas de daos del fabricane enconramos ambién curvas donde de manera más grafica vemos cómo evolucionan los daos de nuesro inerés en función de alguna de las variables del sisema (emperaura, ensión de alimenación, ec.) Paricularmene quiero recalcar que en los inegrados que uilizan una referencia inerna para su funcionamieno es úil siempre observar con cuidado ese dao y las curvas que el fabricane me suminisre ya que es posible que gran pare de la precisión del disposiivo enga que ver con esas referencias. 12

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14 4. El conversor LM2907 El LM2907 es un conversor de menor precisión y menos versáil que el LM331, ya que solo realiza la conversión de frecuencia en ensión. En su circuio inerno incluye: un comparador de ensión en la enrada con una función de hiséresis, una bomba de carga como converidor frecuencia en ensión y un amplificador operacional con un ransisor de salida. El diagrama en bloques del circuio inerno lo observamos en el siguiene diagrama: En la figura siguiene vemos un circuio ípico de aplicación sugerido por el fabricane en las hojas de daos para la conversión (frecuencia ensión). 14

15 Analicemos el funcionamieno del circuio: La señal de enrada ingresa al eminal no inversor del AO de enrada produciendo el disparo de la bomba de carga cada vez que la señal supera los 0 V (observen que el erminal inversor del AO esa a masa). En ese caso la señal de enrada es la proveniene de un sensor magneico. Para analizar en dealle el funcionamieno de la boma de carga deberiamos recurrir al circuio compleo (suminisrado por el fabricane en las hojas de daos), pero no es nuesra inencion describir en dealle los circuios inernos, sino que engamos los conocimienos necesarios para uilizar adecuadamene el circuio inegrado. Así que solo daremos una explicacion funcional del bloque. La bomba de carga rabaja de la siguiene forma: Cada vez que se dispara la bomba se acivara una fuene de corriene que proveerá una corriene saliene del pin 2 y alernane como se muesra en la figura siguiene. De esa forma la ensión en el pin 2 evolucionará enre dos valores que son aproximadamene ( ¼ ) Vcc y ( ¾ ) Vcc (en realidad enre ( ¼ ) Vcc - Vbe y ( ¾ ) Vcc Vbe pero veremos que solo nos ineresa la diferencia enre esas dos ensiones). Es decir la diferencia de ensión en un ciclo de carga y descarga en el pin 2 es de V = Vcc / 2. 15

16 Conjunamene la bomba de carga copia esa misma fuene de corriene del pin 2 en el pin 3 pero siempre en el mismo senido (siempre saliene del circuio inegrado). Veamos las siguienes curvas para aclarar gráficamene el funcionamieno: V i V 2 + 3/4 Vcc + 1/4 Vcc I 2 I F I 3 c I F T 16

17 T será el periodo de la frecuencia de la señal de enrada que dispara la bomba de carga. De donde resula que I I 1 i d 1 2 I T T 3med 2med 2 F C Uilizando la ecuación de carga de un capacior: dv 2 i2 C1 d Donde al cargarse a corriene consane resula: VCC V 2 V i I C C C F C CC C Reemplazando I F en la ecuación de I 3med resula: 1 V I I C C V f Luego la ensión en CC 3med 2med 2 1 C 1 CC T 2 C V I R C R V f 3med 3med CC La configuración del AO de salida es una eapa seguidora, enonces resula V0 C1 R1 VCC f El fabricane, en las hojas de daos, generaliza la ecuación eórica que nosoros obuvimos y nos da la siguiene ecuación de escala: Donde de las hojas de daos V0 K C1 R1 VCC f K TIP es una consane de la ganancia del circuio y ípicamene es 1.0 La linealidad de ese volaje es ípicamene 0.3% del fondo de escala. 17

18 El capacior C2, que esa en paralelo con la resisencia R1 configura el pasa bajos que realiza la inegración de la corriene para obener su valor medio. Por esa razón no inerviene en la ecuación de escala de la conversión. Si inerviene de manera fundamenal en la ecuación del ripple que podemos observar en V3 y en la salida Vo. El fabricane nos da la siguiene ecuación de cálculo para el ripple de salida: V PPR VCC C V f C 1 2 C2 I2 1 CC Crierios para la elección de R1, C1 y C2 para un mejor funcionamieno: Nos dice el fabricane que C1 ambién iene la función de manener ciera compensación inerna en la bomba de carga y debe manenerse mayor de 100 pf. Y que valores más pequeños pueden causar un error de corriene en R1, sobre odo a bajas emperauras. Deben reunirse res consideraciones al escoger R1. 1) La salida de corriene del pin 3 es fija y V3 max, dividido por R1, debe ser menor o igual a ese valor. R 1 V I 3max 3min Donde V 3max es el volaje de salida a máxima escala requerido. Y la I 3min la enconramos en las hojas de daos y es 180 µa. 2) Si R1 es demasiado grande, puede volverse una fracción significaiva de la impedancia de salida en el pin 3 degradando la linealidad del sisema. 3) Debe considerarse el volaje de ripple a la salida, si bien R1 no inerviene en dicha ecuación, el amaño de C2 es afecado por R1, al diseñar la consane de iempo de la inegración. Es decir que R1 puede escogerse independiene del ripple, sin embargo el iempo de respuesa, o sea el iempo que arda Vo para esabilizarse a un aumeno de frecuencia esa deerminado por ella y por C2. 18

19 Luego C2 resula una elección de compromiso enre el ripple y el iempo de respuesa y la linealidad del circuio. Es simple ver en las graficas aneriores que la máxima frecuencia de enrada admisible esará dada cuando el periodo T de la señal de enrada sea igual a 2 c. f max IF CV 1 CC Una curva ineresane dada por el fabricane muesra de manera muy clara la relación enre Vo el Vppr en función de la frecuencia: V PPR V o f 4.2 Caracerísicas principales del LM2907 En las hojas de daos del fabricane enconramos los siguienes daos que consideramos los más relevanes a la hora de elegir un conversor: Error de no linealidad de la escala ípica: 0,3 % Error de no linealidad de la escala máximo: ± 1 % Facor de ganancia de la escala: K min = 0,9 K ip = 1,0 K max = 1,1 19

20 Fuenes de corriene (pin 2 y pin 3) I2 e I3: I min = 140 µa I ip = 180 µa I max = 240 µa Comparador de ensión de enrada: Hiséresis (ip): 30 mv Corriene de polarización: Ib(ip) = 0,1 µa Ib(max) = 1 µa AO de salida: Offse de ensión: Vos (ip) = 3 mv Vos (max) = 10 mv Corriene de polarización: Ib(ip) = 50 na Ib(max) = 500 na Ora caracerísica imporane del LM2907 es el ransisor de salida inegrado que puede absorber una corriene de hasa 50 ma, lo que le da la posibilidad al diseñador de exciar direcamene leds o reles sin componenes adicionales. 5. Bibliografía: Diseño con Amplificadores Operacionales y Circuios Inegrados Analógicos, Sergio Franco Mc Graw Hill 3ª Edición. Hojas de daos del LM331 y LM2907 de Naional Semiconducor. 20