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差變專用集成電路SF5520的原理及應(yīng)用
SF5520是一種專門(mén)同差動(dòng)變壓器配套使用以進(jìn)行測(cè)量與轉(zhuǎn)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(cè)量系統(tǒng)能在化電路的同時(shí)顯著提高系統(tǒng)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(wěn)定正弦波激勵(lì)電源，并能對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行高精度的相敏整流處理。同時(shí)，芯片內(nèi)部相對(duì)獨(dú)立的輔助運(yùn)算放大器還可為實(shí)際應(yīng)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(yùn)放輸出；(范文先生網(wǎng)www.qkfawen.com收集整理)
2腳：輔助運(yùn)放同相輸入；
3腳：輔助運(yùn)放反相輸入；
4腳：內(nèi)部相敏整流器輸入；
5腳：內(nèi)部相敏整流器輸出；
6腳：內(nèi)部相敏流器參考信號(hào)輸入；
7腳：接地；
8腳：二分之一基準(zhǔn)電壓；
9腳：信號(hào)發(fā)生器輸出；
10腳：信號(hào)發(fā)生器輸出（與9腳反相）；
11腳：內(nèi)部運(yùn)放反相輸入端；
12腳：基準(zhǔn)電源；
13腳：信號(hào)發(fā)生器外接電容；
14腳：電源。
2 SF5520的結(jié)構(gòu)原理
圖2是SF5520的內(nèi)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(yùn)放組成。圖中，芯片內(nèi)部的電阻除R7、R8為5kΩ以外，其余均為10kΩ。
SF5520內(nèi)部有一個(gè)諧波含量小于5%且具有一定負(fù)載能力的正弦波信號(hào)發(fā)生器，其輸出可用于對(duì)差動(dòng)變壓器初級(jí)繞組提供驅(qū)動(dòng)。它由三角波信號(hào)發(fā)生器B1、波形轉(zhuǎn)換電路B2及信號(hào)輸出級(jí)A1、A2等組成。三角波信號(hào)發(fā)生器的振蕩頻率與外接電容C1有關(guān)，通過(guò)改變?cè)撾娙葜悼墒馆敵鲂盘?hào)頻率在1~20kHz之間調(diào)節(jié)。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(nèi)部的相敏整流電路由運(yùn)放A3、A4及可控電子開(kāi)關(guān)B4組成。其中由運(yùn)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(hào)控制，輸入信號(hào)的不同極性可導(dǎo)致電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與截止。
偏置電路（B3）可為SF5520內(nèi)部各單元電路提供穩(wěn)定的工作電壓，以保證電路能穩(wěn)定可靠地工作，同時(shí)還確保輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)工作范圍。
此外，SF5520內(nèi)部還設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器（A5），該放大器可為實(shí)際應(yīng)用提供極大方便。
3 SF5520的技術(shù)參數(shù)
SF5520的主要技術(shù)參數(shù)如下：
振蕩頻率：1~20kHz，由外接電容確定。
輸出信號(hào)失真：小于5%，典型值4%。
輸出電流：典型值15mA，最小值8mA。
外接負(fù)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(zhǔn)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(diào)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(chǔ)溫度：-65~125℃。
4 SF5520的應(yīng)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(lì)信號(hào)，副邊有兩個(gè)相同的繞組反向串接以獲得輸出信號(hào)。鐵芯的一端與被測(cè)物體連接，當(dāng)被測(cè)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(hào)變化。將SF5520與差動(dòng)變壓器配合使用可組成電動(dòng)執(zhí)行器中的位置發(fā)送器，其電路十分簡(jiǎn)單，且調(diào)試方便，性能優(yōu)良。圖3是一種可接浮地負(fù)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(hào)（差變的激勵(lì)信號(hào)）與輸入信號(hào)（差變的輸出信號(hào)）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(duì)相敏整流器輸出信號(hào)加以濾波。輔助運(yùn)放A5可與調(diào)恒流管CRD等可組成V/I轉(zhuǎn)換電路，可對(duì)相敏整流器的輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以輸出0~10mA的直流電流作為位置發(fā)送器的輸出信號(hào)。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(diào)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(diào)節(jié)RWO可調(diào)節(jié)電路的輸出零位，而改變電閏器RWL可調(diào)節(jié)電路輸出電流的量程。圖3電路能輸出0~10mA的電流信號(hào)，可作為II型儀表中電動(dòng)執(zhí)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(fù)載不能接地，這給某些應(yīng)用帶來(lái)不便。一種能對(duì)地輸出0~20mA電流信號(hào)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(nèi)部輔助運(yùn)放及電阻、電容等元件組成的二階有源濾波器，可對(duì)相敏整流器的輸出信號(hào)進(jìn)行更有效的濾波，從而改善電路性能。由雙運(yùn)放LM358（A6、A7）組成的V/I轉(zhuǎn)換電路，可將相敏整流器的輸出電壓轉(zhuǎn)換電路信號(hào)，輸出的直流電流信號(hào)可接地負(fù)載。電位器RW用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流的零位，改變電阻R0可調(diào)節(jié)輸出電流的量程。
在上述應(yīng)用電路中，差動(dòng)變壓器的激勵(lì)信號(hào)的采用電壓信號(hào)，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(cè)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(lì)將導(dǎo)致其傳遞函數(shù)的變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。改進(jìn)的方法是差動(dòng)變壓器采用電流源激勵(lì)，其電路如圖5所示。
圖中，將SF5520的A1接成反相放大器，將負(fù)載兩端電壓VL反向后送到芯片的10腳，即由A2構(gòu)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(jí)繞組不含直流分量，芯片應(yīng)采用雙電源供電，使電流源為雙向輸出電流源。
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