Lucrare 2 Final

8/19/2019 Lucrare 2 Final

1/10

Laborator BAZELE SISTEMELOR DE ACHIZIŢII DE DATE Lucrarea 2

13

Lucrarea de laborator 2

CONVERTOARE TENSIUNE–FRECVEN ŢĂ

I. SCOPUL LUCR ĂRII:

Scopul acestei lucr ări este de a studia circuite pentru conversia tensiune-frecvenţă şifrecvenţă-tensiune, folosite în sistemele de măsur ă pentru transmiterea la distanţă a valorilormăsurate.

II. NOŢIUNI TEORETICE

Convertorul tensiune-frecvenţă simplifică conversia analog-digital pentru transmitereadatelor la distanţă, pentru voltmetre numerice şi aparatur ă medicală. Avantajul utilizări acestorcircuite pentru realizarea conversiei A/D este dată de simplitatea realizării lor şi de rejecţia

perturbaţiilor prin integrare. Acest tip de convertor realizează o dependenţă liniar ă întretensiunea de intrare Ui şi frecvenţa obţinută la ieşire, f 0. Un convertor ideal este caracterizat derelaţia:

i f U k f 0

în care k f este factorul de scală şi se măsoar ă în kHz/V. Pentru asigurarea unei rezoluţii ridicateşi a unor performanţe bune de măsur ă în jurul valorii de 0V, este necesar ca factorul de scală să

fie cât mai mare. Justificarea acestei afirmaţii porneşte de la considerarea schemei celei maigenerale de utilizare a convertorului, schemă prezentată în Figura 2.1.

În această figur ă, Circuitul Poartă permite accesul impulsurilor de frecvenţă f x de la ieşireaconvertorului, la intrarea număr ătorului, pe intervalul de timp de măsur ă TM. Relaţiile ce descriufuncţionarea acestei scheme sunt:

f M

x

x f

M

x f x

x

x M

k T

nU

U k

nT

U k f T unde

T nT

11

De exemplu, impunând ce tensiunea cea mai mică ce poate fi măsurată într-un timp să fiesT M 1 să fie U min=1mV, vom avea:

V

Hz

U T

nk

mV U

sT

impulsn

M

f M 1000

1

1

1

minmin

(1)

Schema generală de principiu a convertorului tensiune-frecvenţă cuprinde un integrator, un

comparator şi un generator de impulsuri (Figura 2.2). Procesul conversiei este următorul:tensiunea analogică Ui este aplicată la intrarea integratorului care generează la ieşire o rampă de polaritate opusă tensiunii Ui.. Când nivelul de tensiune al rampei atinge un prag de referinţă Vr ,

ConvertorU/F

Număr ătorf x Circuit poartă

TM

Ux

Figura 2.1. Schemă de principiu pentru convertor analog-digital realizat cu convertor U/F.


2/10


14

comparatorul trimite o comandă către generator care determină apariţia unui impuls decompensare a sarcinii acumulate pe condensatorul de integrare, C. Durata şi amplitudinea acestuiimpuls trebuie să asigure anularea sarcinii acumulate în condensatorul C. Astfel, tensiunea de laieşirea integratorului devine 0V şi procesul se repetă. Cu cât Ui este mai mare, cu atât durata deatingere a pragului Vr este mai mică, determinând deci o frecvenţă mai mare a impulsurilor

generate.

AAO

Dificultăţile de bază ale acestui circuit simplu sunt legate de conversia unor tensiuniapropiate de 0V, când frecvenţa generată trebuie sa fie apropiată de zero. În această situaţie,existenţa unei tensiuni de offset la intrarea integratorului îngreunează realizarea practică aacestui deziderat. Acurateţea conversiei este determinată de offset şi de precizia evacuăriisarcinii acumulată în condensator, iar frecvenţa generată la ieşire este limitată superior de timpulnecesar descărcării condensatorului.

Considerând că tensiunea de intrare este constantă pe durata unei perioade a tensiunii de laieşirea convertorului, tensiunea de la ieşirea integratorului este:

., const U t RC

U U in

in unde (2)

Pentru atingerea pragului Vr este necesar un timp td:

in

r d d

inr

U

RC V t t

RC

U V (3)

Perioada unui ciclu este:

ed t t T (4)

unde te este timpul de evacuare a sarcinii din condensator şi este o mărime constantă. Rezultă că frecvenţa impulsurilor generate la ieşirea convertorului va fi:

einr

in

ed t U RC V

U

t t T f

11 (5)

şi de aici rezultă că dependenţa liniar ă este asigurată numai dacă:

RC V t U r ein (6)

O schemă electrică pentru un convertor tensiune-frecvenţă care funcţionează conformschemei de principiu din figura 2.2 este prezentată în figura următoare (figura 2.3):

R

Integrator

C

U

Vr Monostabil

Ui

f

Figura 2.2. Schema de principiu a unui convertor tensiune-frecvenţă

Comparator

AO


3/10


15

Figura 2.3. Convertor tensiune frecvenţă realizat cu amplificatoare operaţionale

Pentru acest convertor, frecvenţa impulsurilor generate la borna Fout este:

d z

in

V V RC

V f

11

(7)

unde Vz este tensiunea diodei Zener D3, iar Vd este tensiunea pe dioda D1, polarizată direct.

Performanţa conversiei este caracterizată de erori de offset, liniaritate şi câştig. Offsetuleste produs de operaţionalul U1 prin tensiunea de decalaj VOS1 şi curentul de decalaj IOS1. Eroareade offset este data de relaţia:

f z

OS OS

V V RC

R I V f

11

1110 (8)

Printr-un reglaj corespunzător al lui VOS1 această eroare poate fi redusă substanţial. Neliniaritatea este introdusă de timpul de descărcare al condensatorului, tc, şi de câştigul

limitat, A0, al amplificatorului operaţional U1. Această sursă de erori devine importantă cătreextremităţile domeniului de măsur ă, unde sunt produse abateri mai mari faţă de r ăspunsul ideal.Expresia erorii de neliniaritate este:

i

f z

e

N U A

V V

t f f

0

1 (9)

Timpul de descărcare al condensatorului este determinat de viteza de creştere a tensiunii deieşire a operaţionalului U2 şi de curentul maxim admisibil prin tranzistorul Q1.

O altă schemă de principiu pentru realizarea conversiei tensiune-frecvenţă este prezentată în Figura 2.4. Descărcarea condensatorului se face aici la un curent constant Ir . Dacă tensiuneade intrare este de polaritate pozitivă (Vin >0) şi este constantă în intervalul corespunzător unei

perioade a semnalului de la ieşire, atunci funcţionarea schemei este următoarea: tensiunea laieşirea integratorului are o variaţie liniar ă cu pantă negativă. Când tensiunea Uc scade sub nivelultensiunii de referinţă de pe borna neinversoare a comparatorului, acesta comută şi declanşează circuitul monostabil în starea cvasistabilă (cu o durată tr ), stare în care comutatorul K este închis


4/10


16

şi se produce astfel descărcarea condensatorului C de către curentul Ir , care are sensul invers faţă de cel de încărcare. Descărcarea condensatorului se produce numai dacă:

R

U I ir

max (10)

Obs.: descărcarea condensatorului C se face la un curent Ir – Ii. După descărcarea

condensatorului în timpul tr , comutatorul K se închide iar tensiunea la ieşirea integratoruluiîncepe să scadă din nou datorită încărcării condensatorului la curentul Ii şi astfel procesul serepetă.

Figura 2.4. Schemă de principiu pentru convertor tensiune-frecvenţă cu descărcareacondensatorului la curent constant

Rezultă deci că pentru frecvenţa de ieşire este valabilă expresia:

i

r r

e u

t I R f

1 (11)

O schemă practică realizată conform principiului anterior este prezentată în Figura 2.5

Figura 2.5 Convertor tensiune frecvenţă realizat cu amplificatoare operaţionale


5/10


17

Pentru schema din figura 2.5, curenţii de încărcare şi de descărcare ai condensatorului suntegali, ceea ce face ca timpii de încărcare şi de descărcare ai condensatorului să fie egali şi decisemnalul de la ieşirea convertorului va avea factorul de umplere 12.

Pentru funcţia de convertor frecven ţă-tensiune, semnalul de intrare dreptunghiular(impulsuri) se aplică la intrarea comparatorului printr-un cuplaj capacitiv. O schemă de principiu pentru un convertor frecvenţă-tensiune ce funcţionează cu descărcarea condensatorului la uncurent constant este prezentată în figura 2.6. Reţeaua de intrare formată de condensatorul decuplaj şi divizorul rezistiv realizează derivarea impulsurilor de la intrare şi aplicarea acestora laintrarea comparatorului. Cum tensiunea de prag a comparatorului este 0V, acesta va detecta cândtensiunea de intrare devine negativă şi va comuta ieşirea, activând astfel circuitul monostabil. Pedurata impulsului dat de monostabil (tm), comutatorul K este închis, iar condensatorul C vaacumula o sarcină

m

out

mr t

R

U t I q med . (12)

Pe intervalul T-tm (unde T este perioada impulsurilor de la intrare) comutatorul K este închis, iar

condensatorul va pierde sarcina mout

t T R

U q med . (13)

În regim staţionar, sarcina pierdută de condensator va fi egală cu sarcina acumulată, de underezultă că:

imr mr

out f t I RT

t I RU

med

(14)

Figura 2.6 Principiul conversiei frecvenţă-tensiune.

Circuitele de conversie tensiune-frecvenţă şi frecvenţă-tensiune sunt realizate şi sub formă integrată. Exemple de astfel de circuite sunt convertoarele tensiune-frecvenţă monolitice VFC32sau LM331, care pot fi configurate extern să realizeze funcţia de convertor tensiune-frecvenţă

sau frecvenţă-tensiune. Configurarea este posibilă deoarece conexiunile între blocurilefuncţionale se realizează extern de către utilizator. Ca aplicaţii ale acestor circuite, acestea se potfolosi în diverse situaţii cum ar fi la realizarea de convertoare A/D cu integrare, pentru realizarea


6/10


18

unei izolări galvanice simple cu optocuplor, la modularea/demodularea FM a semnaleloranalogice, în controlul turaţiei motoarelor, la realizarea tahometrelor, etc. Structura internă funcţională a acestor circuite este prezentată în anexele 1 şi 2.

Circuitul LM331 este un convertor tensiune-frecvenţă de precizie, cu neliniaritate maximă

de 0.01% din FS şi cu o acurateţe excelentă în tot domeniul de temperatur ă. Aceste performanţesunt asigurate pentru tensiuni de alimentare între 40V şi 4V.

Figura 2.7. Convertor frecvenţă-tensiune cu LM331

Schema electrică a configuraţiei de convertor frecvenţă-tensiune cu LM331 este prezentată în figura 2.7. Circuitul acceptă la intrare un tren de impulsuri sau o tensiune dreptunghiular ă cuamplitudinea mai mare de 3V, care se aplică prin condensatorul C1 de 470uF la intrareacomparatorului (pinul 7). Pe intrarea de referinţă a comparatorului este aplicată o tensiune deaproximativ Vcc -2V, tensiune care este obţinută prin divizarea tensiunii de alimentare de cătrerezistoarele R 2 şi R 3. Când tensiunea de intrare devine mai mică decât tensiunea de referinţă,comparatorul activează circuitul de temporizare (monostabil) care va genera un semnal cu duratat = 1,1R tCt . Pe durata acestui impuls, comutatorul de curent va fi cuplat la pinul 1, unde se va

genera un curent cu valoareaS

ref o

R

V I . Curentul acesta de ieşire pulsatoriu de la pinul 1 este

filtrat de condensatorul C, iar valoarea sa medie va produce pe rezistenţa de sarcină R L

o tensiuneegală cu U0 = ImedR L.

Pentru valorile din schemă rezultă că t = 75 s şi mA1350K 14

V 91 I o .

. , iar pentru un

semnal de intrare dreptunghiular cu frecvenţa 10 KHz, Imed = 0,75Io 1mA, iar Uo = ImedR L=10V. Reglarea capătului de scală pentru tensiunea de ieşire se face din R S.

Cum tensiunea de ieşire se obţine prin filtrarea unui curent pulsatoriu, peste tensiunea deieşire va fi suprapus un ripplu de aproximativ 13mV vârf la vârf. La aplicarea la intrare a unuisemnal cu o altă frecvenţă, tensiunea de la ieşire se va stabiliza la valoarea corectă după unanumit timp, numit timpul de r ăspuns al circuitului.

Plecând de la schema de bază din figura 2.7 se pot proiecta variante îmbunătăţite, care să

diminueze problemele legate de ripplu şi timpul de r ăspuns ce apar la conversia frecvenţă-tensiune. Reducerea ripplului se poate face prin adăugarea la ieşire a unui filtru de neteziresuplimentar (pasiv sau activ), aşa cum se poate vedea şi în figura 2.7.


7/10


19

III. DESFĂŞURAREA LUCR ĂRII

3.1. M ăsur ări practice

3.1.1. Se identifică pe machetă elementele constitutive ale schemei din Figura 2.3

(integratorul, comparatorul, bornele de alimentare şi cele de semnal).3.1.2. Se alimentează schema cu tensiune simetrică, de +12V şi –12V. Cu ajutorul

potenţiometrului instalat pe machetă, se aplică la intrarea convertorului o tensiune continuă variabilă, negativă.

3.2.1. Se stabileşte la intrarea convertorului o tensiune astfel încât frecventa generată laieşire să fie de 1kHz. Se oscilografiază formele de undă de la ieşirea integratorului şi de la ieşireaconvertorului şi se desenează la scar ă pe hârtie milimetrică. Din graficele obţinute se determină valoarea timpului de descărcare al condensatorului, t c.

3.1.4. Se variază tensiunea de la intrarea convertorului, în intervalul 0V…-10V şi semăsoar ă frecvenţa generată la ieşire. Rezultatele măsur ătorilor se trec în Tabelul 1.

Tabelul 1

Folosind datele din tabelul 1 se reprezintă grafic, pe hârtie milimetrică, caracteristicafrecvenţă-tensiune a convertorului studiat. Pe acelaşi grafic se trasează şi caracteristica ideală.Pentru fiecare valoare a tensiunii de tensiune specificate în Tabelul 1 se determină din graficvaloarea abaterii de la curba ideală:

N f f f 0 Rezultatele obţinute se completează în linia corespunzătoare din Tabelul 1

3.1.5. Se determină eroarea maximă de măsur ă, folosind formula:

%100max

f

f

inV

MAX

3.1.6. Se identifică pe machetă elementele constitutive ale schemei din Figura 2.5 (integratorul, comparatorul, bornele de alimentare şi cele de semnal).

3.2.7. Se stabileşte la intrarea convertorului o tensiune astfel încât frecventa generată la

ieşire să fie de 1kHz. Se oscilografiază formele de undă de la ieşirea integratorului şi de la ieşireaconvertorului şi se desenează la scar ă pe hârtie milimetrică.

3.1.8 Se variază tensiunea de la intrarea convertorului, în intervalul 0V…10V şi semăsoar ă frecvenţa generată la ieşire. Rezultatele măsur ătorilor se trec în Tabelul 2

Tabelul 2

Folosind datele din tabelul 2 se reprezintă grafic, pe hârtie milimetrică, caracteristicafrecvenţă-tensiune a convertorului studiat. Pe acelaşi grafic se trasează şi caracteristica ideală.Pentru fiecare valoare a tensiunii de tensiune specificate în Tabelul 2 se determină din graficvaloarea abaterii de la curba ideală:

Vin[V] 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10f [Hz]

f

Vin[V] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10f [Hz]

f


8/10


20

N f f f 0 Rezultatele obţinute se completează în linia corespunzătoare din Tabelul 2

3.1.9. Să identifică pe machetă elementele constitutive ale schemei din Figura 2.4. Seaplică la intrarea convertorului frecvenţă-tensiune un semnal dreptunghiular de la versatester cu

frecvenţa reglabilă între 0 şi 10 KHz. Se vizualizează semnalele în punctele importante şi sereprezintă grafic. Se va completa Tabelul 3.

Tabelul 3

Folosind datele din tabelul 3 se reprezintă grafic, pe hârtie milimetrică, caracteristicatensiune-frecvenţă a convertorului studiat.

3.2 Simul ări SPICE

3.2.1 Se va descrie în SPICE convertorul tensiune-frecventă prezentat în figura 2.3,apelându-se din biblioteci modelele pentru amplificatoarele operaţionale şi pentru tranzistor.

Se simulează la intrarea convertorului o tensiune cu valoare de -1V şi se face analiza înregim tranzitoriu, în intervalul 0..10ms. Se vizualizează formele de undă de la ieşireaintegratorului şi de la borna Fout. Se desenează curbele la scar ă şi se măsoar ă timpul t e dedescărcare a condensatorului.

Se atribuie tensiunii de intrare valorile specificate în Tabelul 1. Pentru fiecare valoare dintabel, se efectuează analiza de regim tranzitoriu, în intervalul 0..5ms, şi se măsoar ă frecvenţa

impulsurilor generate. Valorile obţinute se completează într-un tabel de forma tabelului 1.3.2.2 Se repetă punctul 3.2.1. pentru convertorul tensiune-frecvenţă din figura 2.5

Întrebări şi exerci ţ ii

3.1. Deduceţi expresiile analitice ale tensiunilor de prag pentru comparatoarele din Figura2.3. şi Figura 2.5;

3.2. Comparaţi rezultatele obţinute prin măsur ări pe machetă, cu cele realizate prinsimulări SPICE. Cum explicaţi eventualele diferenţe Care din seturile de rezultate este mai

precis şi cum explicaţi acest lucru

3.3. Să se deduc

ă expresia analitic

ă a frecven

ţei impulsurilor de la ie

şirea convertorului dinFigura 2.5. Ce se întâmplă în cazul în care R 1 = R 2

3.4. Cum se poate adapta schema din Figura 2.5 astfel încât frecvenţa de ieşire să fiecompatibilă cu nivelele TTL?

3.5 Să se proiecteze un sistem care să transmită informaţia de la un senzor de temperatur ă,la distanţă, folosind conversia tensiune-frecvenţă, iar la recepţie se va transforma din nou întensiune în domeniul 0-10V. Se ştie că senzorul de temperatur ă furnizează o tensiune îndomeniul 0-5V când temperatura variază între 0 şi 50 C, iar frecvenţa pe linie va fi în domeniul0-10Khz, compatibilă TTL.

Observaţ ii

Referatul va conţine schema electrică a convertorului tensiune-frecvenţă studiat, tabelelede măsur ători, graficele cerute şi rezolvarea exerciţiilor propuse.

f in[KHz] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Uo [V]


9/10


21

Anexa 1.

Structura internă a convertorului tensiune-frecvenţă VFC 32


10/10


22

Anexa 2

Structura internă a convertorului tensiune-frecvenţă LM 331

Specificaţii tehnice:

Lucrare 2 Final

Documents

Transcript of Lucrare 2 Final