Comprendere il funzionamento dei convertitori V/f Saper effettuare misure di collaudo

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Lorenza Paolina Nobile
7 anni fa
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1 SCH 32 Convertitore tensione/frequenza Obiettivi Strumenti e componenti Comprendere il funzionamento dei convertitori V/f Saper effettuare misure di collaudo R1 = 1,2 KΩ; R2 = 3,6 KΩ; R4 = 180 Ω; R5 = 47 Ω; R6 = 10 KΩ; R7 = 5 KΩ (trimmer lineare multigiri); R8 = 12 KΩ; RIN = 100 KΩ; RL = 100 KΩ; RT = 6,8 KΩ; C1 = 100 nf; Cin = 100 nf; CL = 1µF, CT = 10 nf IC1 = LM 129 Precision reference IC2 = LM 331 Precision V/f converter VCC = 12 V Note Il convertitore tensione frequenza è un circuito che trasforma la tensione applicata al suo ingresso in un treno di impulsi in uscita con frequenza proporzionale all ampiezza della tensione VIN applicata all ingresso, secondo un fattore di scala costante Questa conversione risulta molto utile ogni qualvolta occorre trasportare un dato a distanza, come nel controllo automatico e nei circuiti di acquisizione dati: il dato analogico da trasportare viene convertito in un valore proporzionale di frequenza, in tal modo risulta molto meno sensibile ai disturbi e non subisce attenuazioni in ampiezza. Il circuito Il convertitore V/f descritto in questa scheda e riportato nello schema elettrico di Fig utilizza un componente molto diffuso, l integrato LM 331 della National Semiconductor. Questo integrato è molto versatile, è infatti utilizzabile nei circuiti di conversione V/f e f/v, nei circuiti di modulazione e demodulazione, nei circuiti integratori e in tante altre funzioni similari. Impiegato come convertitore V/f, fornisce in uscita un segnale che è un treno di impulsi di frequenza proporzionale all ampiezza della tensione VIN applicata all ingresso, secondo un fattore di scala Kc = 1 khz/v e con una linearità dello 0,01%. La tensione da convertire viene fornita da un generatore di riferimento integrato (IC1) attraverso un partitore di tensione (R2 R3 R4) che consente una regolazione della VIN tra 0.1 V e 5 V. Il funzionamento essenziale può essere descritto analizzando lo schema interno dell integrato di Fig Il comparatore esegue il confronto tra la tensione V1 applicata al pin n 7 (che rappresenta il segnale da convertire) con la tensione VX applicata al pin 6, prelevata ai capi del condensatore CL. Se V1 è maggiore di VX l uscita del comparatore innesca il monostabile che genera un impulso di durata t = 1,1 RT x CT. Questo impulso chiude il generatore di corrente costante che alimenta il condensatore CL che pertanto inizia a caricarsi. Contemporaneamente lo stesso impulso provoca il passaggio a ON del BJT di uscita. Il condensatore CL si carica a corrente costante fino a che la tensione VX ai suoi capi non diventa maggiore di V1. A questo punto il comparatore commuta, il temporizzatore viene resettato, il generatore di corrente viene aperto e il BJT di uscita diventa OFF. Il condensatore CL si scarica attraverso RL fino a che VX diventa inferiore a V1. A questo punto il comparatore commuta e il ciclo ricomincia.

2 Fig Schema a blocchi semplificato del circuito integrato LM 331 utilizzato come convertitore V/f (da National Data Acquisition Databook). I componenti esterni servono a fornire la rete di temporizzazione al timer e a regolare la tensione di soglia del comparatore. In particolare, il resistore RIN in serie all ingresso serve per la minimizzazione dell offset, la resistenza tra il pin 2 e la massa, formata dal resistore fisso R6 e dal trimmer multigiri R7, serve per regolare la soglia del comparatore interno e viene utilizzata in fase di taratura. La rete RT - CT costituisce la temporizzazione del monostabile, il condensatore CL fa parte del circuito integratore. Il condensatore C1 opera un filtraggio sulla tensione di alimentazione, il condensatore CIN fa la stessa cosa sulla tensione di ingresso VIN.

3 C1 + 12V 8 VS RT R8 Rin 7 IN R/C 6 Current Output IC2 f out THRESHOLD f out REF GND Cin CL 4 RL R6 CT Vin R5 R7 - GND Fig La tensione da convertire è fornita dal generatore di riferimento integrato e da un partitore resistivo che ne rende possibile la variazione nel campo 0.1 V 5 V. I componenti LM 331 L integrato LM 331 della National Semiconductor è un dispositivo integrato molto versatile, utilizzabile nei circuiti di conversione V/f e f/v, nei circuiti di modulazione e demodulazione, nei circuiti integratori e in tante altre funzioni similari. Impiegato come convertitore V/f, fornisce in uscita un segnale che è un treno di impulsi di frequenza proporzionale all ampiezza della tensione VIN applicata all ingresso, secondo un fattore di scala Kc = 1 khz/v e con una linearità dello 0,01%. Può essere alimentato con tensioni singole fino a 40 V. Se viene alimentato con una tensione di alimentazione VS = 5 V, l uscita è compatibile con i dispositivi TTL e può pilotare fino tre carichi unitari. Nello schema interno semplificato riportato in Fig sono riconoscibili facilmente i blocchi tipici dei convertitori V/f.

4 Fig Schema interno dell IC LM 331. Sono presenti i seguenti blocchi: un generatore di corrente costante un comparatore un temporizzatore uno stadio a BJT in funzionamento ON/OFF I componenti passivi indicati nello schema sono esterni all integrato e si riferiscono al circuito utilizzato come convertitore tensione/frequenza. LM 129 L IC LM 129 è un generatore di riferimento di precisione compensato in temperatura che fornisce una tensione di 6,9 V. Può essere utilizzato in sostituzione dei comuni diodi Zener quando si desiderano prestazioni più elevate.

5 Realizzazione e collaudo La precisione e la stabilità del convertitore sono legate all accuratezza della realizzazione circuitale e alla costanza dei valori dei componenti passivi utilizzati. 1. Taratura del convertitore. Scollegare l ingresso Vin dal trimmer R3 e applicare all ingresso stesso una tensione continua di 10 V (misurata con un DMM di buone caratteristiche assunto come strumento campione) Collegare in uscita un frequenzimetro e regolare il trimmer multigiri R7 fino ad ottenere una frequenza di 10 khz, corrispondente al fattore di conversione Kc = 1 khz/v. Ripetere questa operazione con un valore molto basso di VIN (es. 100 mv). La precisione della taratura è legata all accuratezza delle misure ed alle caratteristiche del generatore di tensione continua, del DMM e del frequenzimetro che devono essere strumenti di elevata precisione. 2. Verifica del funzionamento Collegare all'ingresso del convertitore, al posto del generatore campione utilizzato in fase di taratura, la tensione VIN prelevata dal partitore. Regolare VIN per tutto il campo di variazioni consentite dal trimmer R3 (da 100 mv a 5 V con i valori indicati nello schema elettrico di Fig. 32.2), misurare con il frequenzimetro il valore della frequenza del segnale di uscita fout. Raccogliere in una tabella i dati ottenuti e verificare la costanza del fattore di conversione Kc. Nella verifica sperimentale del circuito è stato applicato in ingresso una tensione compresa tra 0.1V e 5 V e l errore rilevato sul valore della frequenza di uscita è risultato inferiore a quello massimo dichiarato dal costruttore. Fattore di conversione del convertitore VIN (V) fout (Hz) Kc (khz/v)

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