差變專(zhuān)用集成電路SF5520的原理及應用

SF5520是一種專(zhuān)門(mén)同差動(dòng)變壓器配套使用以進(jìn)行測量與轉換的單片式集成電路，它上有功耗低、體積小、安裝容易、使用方便等特點(diǎn)。SF5520與差動(dòng)變壓器配合使用所組成的測量系統能在化電路的同時(shí)顯著(zhù)提高系統性能。它與SJ5520、NE5520性能相同，封裝形式也一致，可以直接互換。SF5520能提供電感傳感器所必需的低失真穩定正弦波激勵電源，并能對傳感器的輸出信號進(jìn)行高精度的相敏整流處理。同時(shí)，芯片內部相對獨立的輔助運算放大器還可為實(shí)際應用增加更大的靈活性。

1 SF5520的引腳功能

SF5520采用14腳雙列塑封，其管腳排列如圖1所示。各引腳的功能如下：

1腳：輔助運放輸出；

2腳：輔助運放同相輸入；

3腳：輔助運放反相輸入；

4腳：內部相敏整流器輸入；

5腳：內部相敏整流器輸出；

6腳：內部相敏流器參考信號輸入；

7腳：接地；

8腳：二分之一基準電壓；

9腳：信號發(fā)生器輸出；

10腳：信號發(fā)生器輸出（與9腳反相）；

11腳：內部運放反相輸入端；

12腳：基準電源；

13腳：信號發(fā)生器外接電容；

14腳：電源。

2 SF5520的結構原理

圖2是SF5520的內部等效電路框圖，它由濾形發(fā)生器、相敏整流器、偏置電路及輔助運放組成。圖中，芯片內部的電阻除R7、R8為5kΩ以外，其余均為10kΩ。

SF5520內部有一個(gè)諧波含量小于5%且具有一定負載能力的正弦波信號發(fā)生器，其輸出可用于對差動(dòng)變壓器初級繞組提供驅動(dòng)。它由三角波信號發(fā)生器B1、波形轉換電路B2及信號輸出級A1、A2等組成。三角波信號發(fā)生器的振蕩頻率與外接電容C1有關(guān)，通過(guò)改變該電容值可使輸出信號頻率在1~20kHz之間調節。振蕩頻率f與外接電容C1之間存在下列關(guān)系：

f=110/C1

式中：f的單位是Hz，C1的單位是μF。

SF5520內部的相敏整流電路由運放A3、A4及可控電子開(kāi)關(guān)B4組成。其中由運放A3組成電壓跟隨器，以提高相敏整流電路的輸入阻抗；A4及電阻R1~R4組成換向放大器，其工作狀態(tài)由電子開(kāi)關(guān)B4控制；可控電子開(kāi)關(guān)由輸入信號控制，輸入信號的不同極性可導致電子開(kāi)關(guān)的導通與截止。

偏置電路（B3）可為SF5520內部各單元電路提供穩定的工作電壓，以保證電路能穩定可靠地工作，同時(shí)還確保輸出信號的動(dòng)態(tài)工作范圍。

此外，SF5520內部還設置一個(gè)獨立的運算放大器（A5），該放大器可為實(shí)際應用提供極大方便。

3 SF5520的技術(shù)參數

SF5520的主要技術(shù)參數如下：

振蕩頻率：1~20kHz，由外接電容確定。

輸出信號失真：小于5%，典型值4%。

輸出電流：典型值15mA，最小值8mA。

外接負載阻抗：小于1kΩ。

輸入電壓：最小值4.5V，最大值5.5V。

輸入電流：典型值300μA，最小值100μA，最大值1mA.

線(xiàn)性誤差：典型值0.05%，最大值0.1%。

單電源：5~20V；雙電源：2.5~10V。

電源電流：典型值15mA，最大值20 mA。

基準電壓：最小值5V，最大值與電源電壓相同。

增益：典型值為100000倍。

輸入失調電壓：最小值-10 mA，最大值+ 10mA。

輸出電壓擺幅：最小值1.5V，最大值為電源電壓-1.5V。

輸出短路電流：典型值50 mA。

典型功耗：小于220 mW，極限耗散功率為840 mW。

環(huán)境溫度：0~70℃。

存儲溫度：-65~125℃。

4 SF5520的應用電路

差動(dòng)變壓器式傳感器屬于互感式傳感器。它本身是一個(gè)變壓器，其原邊是一個(gè)繞組接入激勵信號，副邊有兩個(gè)相同的繞組反向串接以獲得輸出信號。鐵芯的一端與被測物體連接，當被測物體移動(dòng)時(shí)，就會(huì )因鐵芯的移動(dòng)使逼邊兩繞組與原邊繞組的互感不同而引起輸出信號變化。將SF5520與差動(dòng)變壓器配合使用可組成電動(dòng)執行器中的位置發(fā)送器，其電路十分簡(jiǎn)單，且調試方便，性能優(yōu)良。圖3是一種可接浮地負載的位置發(fā)送器電路，圖中，R3、C2組成移相電路，其作用是使相敏整流器的參考信號（差變的激勵信號）與輸入信號（差變的輸出信號）相位一致，從而改善電路的性能，R3的參考值為20k℃,C2的參考值為0.02μF。R2、C1組成無(wú)源濾波電路，用于對相敏整流器輸出信號加以濾波。輔助運放A5可與調恒流管CRD等可組成V/I轉換電路，可對相敏整流器的輸出信號進(jìn)行轉換，以輸出0~10mA的直流電流作為位置發(fā)送器的輸出信號。由圖可知：

（IL+IH）（R0+RWL）=V5

IL=[V5/（R0+RWL）]-IH

式中，V5為相敏整流器輸出端5腳的電壓，IH為可調恒流管CRD的輸出電流。由上式可知，改變IH可使電路的輸出電流為零，因此，調節RWO可調節電路的輸出零位，而改變電閏器RWL可調節電路輸出電流的量程。圖3電路能輸出0~10mA的電流信號，可作為II型儀表中電動(dòng)執行器的位置發(fā)送器。

在圖3電路中，由于位置發(fā)送器的輸出端負載不能接地，這給某些應用帶來(lái)不便。一種能對地輸出0~20mA電流信號的位置發(fā)送器電路如圖4所示，該電路既可用于II型儀表，也可用于III型儀表。圖中，由SF5520內部輔助運放及電阻、電容等元件組成的二階有源濾波器，可對相敏整流器的輸出信號進(jìn)行更有效的濾波，從而改善電路性能。由雙運放LM358（A6、A7）組成的V/I轉換電路，可將相敏整流器的輸出電壓轉換電路信號，輸出的直流電流信號可接地負載。電位器RW用來(lái)調節輸出電流的零位，改變電阻R0可調節輸出電流的量程。

在上述應用電路中，差動(dòng)變壓器的激勵信號的采用電壓信號，這種方法的主要缺點(diǎn)是在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)會(huì )產(chǎn)生測量誤差。

由于差動(dòng)變壓器繞組的阻抗在環(huán)境溫度變化時(shí)也發(fā)生變化，因此，差動(dòng)變壓器采用電壓源激勵將導致其傳遞函數的變化，從而產(chǎn)生測量誤差。改進(jìn)的方法是差動(dòng)變壓器采用電流源激勵，其電路如圖5所示。

圖中，將SF5520的A1接成反相放大器，將負載兩端電壓VL反向后送到芯片的10腳，即由A2構成反相放大器的輸入端，從而組成電壓控制電流電路。為使差動(dòng)變壓器的初級繞組不含直流分量，芯片應采用雙電源供電，使電流源為雙向輸出電流源。