Como funciona o LM331 - conversor tensão-frequência de precisão (ART851)

No projeto de conversores analógico digitais para o interfaceamento de circuitos de aquisição de dados com computadores, ou ainda no projeto de instrumentos digitais, um conversor de tensão em frequência é o elemento fundamental. O LM331, que focalizamos neste artigo é o componente ideal para este tipo de aplicação pela simplicidade de seus circuitos, sua linearidade e baixo custo. Este artigo foi escrito com base nos manuais do LM331 da National Semiconductor.

 Datasheet do LM331

Datasheet do LM231

Datasheet do LM331

 

O circuito integrado LM331 (LM131/LM231/LM331) consiste num conversor de tensão para frequência de baixo custo indicado para conversão analógico-digital, integração de longo termo, modulação e demodulação linear de frequência e em muitas outras funções.

Quando usado como um conversor tensão/frequência, este circuito produz em sua saída um trem de pulsos cuja frequência é proporcional à tensão aplicada em sua entrada, com grande linearidade.

A alimentação com tensão baixa e a baixa corrente exigida tornam este circuito totalmente compatível com lógica digital comum além de fornecer sinais compatíveis com as entradas de computadores (PC).

O emprego de um circuito interno de compensação de temperatura garante uma excelente linearidade do circuito em toda sua faixa de temperaturas de operação além de permitir a utilização de fontes de alimentação a partir de 4,0 V.

A frequência máxima de saída dos sinais é de 100 kHz.

A saída pode excitar até 3 entradas TTL ou então uma carga com tensões de até 40 V, com proteção interna contra curto circuito.

 

Temos os seguintes destaques:

* Linearidade garantida de 0,01 % (max)

* Opera com fontes simétricas ou simples

* Saída de pulsos compatíveis com todas as formas de lógica

* Estabilidade de temperatura excelente, 50 ppm/grau centígrado (max)

* Baixa dissipação: 15 mW com 5 V

* Faixa ampla de frequências na conversão: 1 Hz a 100 kHz

* Baixo custo

 

O circuito integrado LM331 tem as seguintes Características:

 

Máximos absolutos:

Tensão de alimentação: 40 V

Curto circuito de saída: contínuo

Tensão de entrada: -0,2 V à +Vs

Faixa de temperaturas de operação: 0 à 70 graus centígrados

Dissipação máxima: 570 mW

 

Obs.: os tipos LM131 e LM231 diferem apenas em relação à faixa de temperaturas de operação.

 

Características elétricas:

VFC não linearidade...........0,003% (tip)

Precisão de conversão.........1 kHz/V (tip)

Overrange.....................10% (min)

Frequência recomendada para plena escala.... 10 kHz (min)

 

Na figura 1 temos o invólucro típico do LM331.

 

Invólucro do Lm<sup>3</sup>31
Invólucro do LM331

 

O diagrama de blocos deste circuito integrado é mostrado na figura 2.

 

Diagrama de blocos do Lm<sup>3</sup>31
Diagrama de blocos do LM331

 

A configuração típica para um conversor tensão-frequência com poucos componentes externos é mostrada na figura 3.

 

Conversor simples tensão-frequência com linearidade de +/-0,03% (tip) entre 10 Hz e 11 kHz.
Conversor simples tensão-frequência com linearidade de +/-0,03% (tip) entre 10 Hz e 11 kHz.

 

Um resistor Rin de 100k Ω foi agregado ao pino 7 de modo que uma corrente de polarização de 80 nA (tip) cancela a corrente de polarização do pino 6 e assim ocorra um mínimo de desvio de frequência.

A resistência Rs no pino 2 de ter mais de 12 k Ω, consistindo num resistor fixo mais um resistor ajustável. Estes componentes devem ser de boa precisão e estabilidade, servindo para ajustar o ganho do circuito e com isso compensar as tolerâncias de Rt, RL e Ct.

Para melhores resultados todos os componentes devem ser de precisão com baixos coeficientes de temperatura como resistores de filme metálico. O capacitor Ct deve ter uma baixa absorção dielétrica dando-se preferência aos tipos cerâmicos, poliestireno, teflon ou polipropileno NP0.

O capacitor ligado ao pino 7 e à terra serve como um filtro para a tensão de entrada. Valores entre 10 nF e 100 nF podem ser usados na maioria dos casos. Entretanto, em alguns casos valores de até 1 µF podem ser necessários.

De modo a se evitar problemas de estabilidade na oscilação, agregando uma certa histerese ao circuito podemos ligar um resistor de 47 Ω em série com CL. Este capacitor tem um excelente efeito sobre a linearidade do circuito.

 

APLICAÇÕES

Na circuito da figura 4 temos um conversor básico ou circuito de teste em que se agrega um amplificador operacional e um capacitor de realimentação (CF).

 

Conversor tensão-frequência de precisão de 0,03% de não linearidade.
Conversor tensão-frequência de precisão de 0,03% de não linearidade.

 

Quando a tensão de entrada deste circuito varia entra 0 e 10 V a frequência de saída varia de 0 a 100 kHz com uma linearidade da ordem de 0,03%.

Observe que deve ser usada uma fonte simétrica para o amplificador operacional e que existe uma saída para compatibilizar o circuito com lógica digital.

O amplificador operacional deve ter baixa tensão e corrente de offset de entrada sendo indicados tipos como o LF411 ou LF356.

 

Datasheet do LF411

Datasheet do LF356

 

Alterações em relação à configuração original são feitas de modo a se obter operação em maior velocidade.

Para uma operação direta num conversor frequência para tensão (digital para analógico) temos o circuito da figura 5.

 

Conversor freqüência-tensão com 10 kHz de plena escala - 0,06% de não linearidade.
Conversor freqüência-tensão com 10 kHz de plena escala - 0,06% de não linearidade.

 

 


 

 

Este circuito tem uma não linearidade típica de 0,06% e usa apenas um LM331.

A fórmula junto ao diagrama dá a relação entre a frequência do sinal de entrada e a tensão de saída. O circuito é alimentado por fonte simples de 15 V e como nas demais aplicações os componentes devem ser estáveis.

Neste circuito a tensão máxima de saída (fundo de escala) é obtida para uma frequência de entrada de 10 kHz.

Um conversor de precisão frequência para tensão com maior linearidade mas usando um amplificador operacional como filtro de dois pólos é mostrado na figura 6.

 

Freqüência-tensão de precisão - 10 kHz de fundo de escala (o,01% de não linearidade).
Freqüência-tensão de precisão - 10 kHz de fundo de escala (o,01% de não linearidade).

 


 

 

A relação entre a tensão de saída e a frequência de entrada é dada pelas fórmulas junto ao diagrama. A não linearidade deste circuito é de apenas 0,01% e a frequência máxima de entrada (fundo de escala) é de 10 kHz.

Na figura 7 mostramos um conversor de intensidade de luz em frequência, podendo servir de base para um fotômetro digital ou para um link de medida de intensidade de luz à distância.

 

Conversor de intensidade de luz-frequência.
Conversor de intensidade de luz-frequência.

 

O foto-transistor pode ser o L14F da GE ou qualquer equivalente. O resistor de 10 k Ω deve ser eventualmente alterado em função das características do foto-transistor usado. O fundo de escala deste circuito corresponde a uma frequência de saída de 100 kHz e sua tensão de alimentação pode ficar entre 5 e 15 Volts.

 

Datasheet do L14F

O circuito da figura 8 é de um conversor de temperatura em frequência. Cada grau kelvin provoca uma alteração de frequência de 10 Hz neste circuito e os limites da faixa de temperatura medida são dados pelo LM234/334.

 

Datasheet do LM234

Datasheet do LM334

 

Conversor temperatura-frequência.
Conversor temperatura-frequência.

 

O LM234 é um sensor de temperatura de precisão da National Semiconductor.

Para aquisição da dados a partir de fontes analógicas com interfaceamento direto com PCs e microprocessadores ou circuitos de processamento digital temos o circuito mostrado na figura 9.

 

Integrador digital de longo termo com VFC.
Integrador digital de longo termo com VFC.

 

O VFC com o LM331 pode ser qualquer das configurações que vimos, tendo a saída aplicada a divisor por 2 elevado ao expoente 2 (2, 4, 8, 16, etc.) obtendo-se assim um sinal que pode ser aplicado ao terceiro bloco: um contador binário.

O contador vai fornecer a informação digital num barramento que pode ser levado a um computador ou mesmo a um acionador de display.

O circuito de reset determina o ponto da contagem no fundo de escala, sendo dado por um clock apropriado.

Um outro conversor analógico/digital que pode servir para aquisição de dados é mostrado na figura 10.

 

Conversor analógico digital básico usando o Lm<sup>3</sup>31.
Conversor analógico digital básico usando o LM331.

 

Neste circuito, o VFC pode ser qualquer um dos que demos como exemplo neste artigo. O sinal, que consiste numa frequência proporcional à grandeza analógica medida, é aplicado a um contador e a um latch. O latch faz o armazenamento dos sinais nos ciclos de medida, de modo a obter-se uma indicação estável.

O circuito de retardo proporciona o reset do contador depois que as informações digitais foram transferidas para o latch. Veja que para se garantir a linearidade do circuito é preciso contar com um clock estável.

A aquisição de dados remota com transmissão óptica (infravermelho, por exemplo) pode ser feita com a configuração dada em blocos na figura 11.

 

Conversor tensão-frequência remoto com microprocessador.
Conversor tensão-frequência remoto com microprocessador.

 

Neste circuito o VFC pode ser qualquer uma das configurações analisadas, excitando diretamente um LED infravermelho.

O sinal é recebido por um fototransistor ou diodo de grande superfície e aplicado a um bloco que contém dois contadores, um de referência e o outro que conta os pulsos do transmissor, obtendo-se assim um valor de contagem proporcional à grandeza analógica (Vin) medida.

O sinal do contador é então aplicado por um barramento de dados apropriado a um microprocessador.

A transmissão de dados por um fio trançado longo pode ser feita pelo circuito mostrado na figura 12.

 

Tensão-frequência com interligação por 2 fios ao receptor.
Tensão-frequência com interligação por 2 fios ao receptor.

 

Neste circuito, um regulador de tensão é "modulado" pelo LM331 que então tem sua corrente refletida na carga de 75 Ω de modo a aparecer a frequência correspondente na saída.

Para se obter um sinal perfeitamente quadrado, temos o circuito da figura 13 que faz uso de um LM331 e de um flip-flop TTL.

 

Conversor tensão-frequência com saída quadrada usando flip-flop.
Conversor tensão-frequência com saída quadrada usando flip-flop.

 

O flip-flop funciona como um divisor de frequência por 2 de modo a se obter a saída com a forma de onda desejada.

Para se obter um isolamento óptico entre o circuito conversor tensão-frequência e o circuito lógico de saída, a National Semiconductor sugere o circuito da figura 14.

 

Conversor tensão-frequência com opto-isolador.
Conversor tensão-frequência com opto-isolador.

 

O isolador óptico pode ser o 4N25 e o resistor de base do 2N2222 (que é a carga do isolador) deve ter seu valor experimentado de modo a se obter o melhor rendimento do circuito.

Para se obter um isolamento por meio de transformador de pulsos temos o circuito da figura 15.

 

Conversor tensão-frequência com isolador.
Conversor tensão-frequência com isolador.

 

Neste circuito é empregado um comparador de tensão com histerese e a saída é compatível com a lógica dada pelo inversor.

A figura 16 mostra um circuito de conversor tensão-frequência que envia seus sinais por ondas eletromagnéticas (link de rádio) a um receptor.

A frequência de saída do VFC com o LM331 serve para modular um transmissor. No receptor esta frequência é recuperada e aciona um buffer inversor, obtendo-se assim um sinal que excita a lógica desejada.

Finalmente temos o emprego do LM331 num conversor tensão-frequência que envia os sinais por meio de fibra óptica. Este circuito é mostrado na figura 17 e usa como transmissor um LED infravermelho.

 

Conversor tensão-frequência com fibra-óptica.
Conversor tensão-frequência com fibra-óptica.

 

O receptor é um foto-transistor ou um foto-diodo de grande superfície com características correspondentes ao comprimento de onda emitido pelo LED.

 


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