傳感器中的電壓/電流、電壓/頻率變換的實現(xiàn)

隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速進步，工業(yè)自動化得到了快速發(fā)展，而在工業(yè)控制領(lǐng)域，檢測傳感器件起著越來越重要的作用，各種先進的傳感器正在大量應(yīng)用。

但是很多傳感器只提供4～20mA或者0～5V的直流模擬信號輸出，而我國煤礦使用的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)大部分只允許接入1～5mA或者200～1000Hz的模擬信號，所以在一般工業(yè)現(xiàn)場使用的傳感器要實現(xiàn)在煤礦的應(yīng)用，除了考慮防爆因素外，還必須進行輸出模擬信號的轉(zhuǎn)換。這種輸出信號的轉(zhuǎn)換如果購買專用的轉(zhuǎn)換設(shè)備，不僅價格高，使用也不是很方便。實際上自己設(shè)計制作一些轉(zhuǎn)換電路也可以方便的實現(xiàn)所需性能，下面就介紹兩種實用的電壓/電流、電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計和原理。

1　電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

電壓/電流轉(zhuǎn)換即V/I轉(zhuǎn)換，是將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號，轉(zhuǎn)換后的電流相當(dāng)一個輸出可調(diào)的恒流源，其輸出電流應(yīng)能夠保持穩(wěn)定而不會隨負(fù)載的變化而變化。V/I轉(zhuǎn)換原理如圖1。

由圖1可見，電路主要元件為一運算放大器LM324和三極管BG9013及其他輔助元件構(gòu)成，V0為偏置電壓，Vin為輸入電壓即待轉(zhuǎn)換電壓，R　為負(fù)載電阻。其中運算放大器起比較器作用，將正相端電壓輸入信號與反相端電壓V-進行比較，經(jīng)運算放大器放大后再經(jīng)三極管放大，BG9013的射級電流Ie作用在電位器Rw上，由運放性質(zhì)可知：

V-=　Ie·Rw=　(1+　k)Ib·Rw

(k為BG9013的放大倍數(shù))

流經(jīng)負(fù)荷R　的電流Io即BG9013的集電極電流等于k·Ib。令R1=R2，則有

V0+Vm=　V+=　V-=　(1+k)Ib·Rw=　(1+1/k)Io·Rw

其中k》1，所以Io≈　(Vo+Vin)/Rw。

由上述分析可見，輸出電流Io的大小在偏置電壓和反饋電阻Rw為定值時，與輸入電壓Vin成正比，而與負(fù)載電阻R　的大小無關(guān)，說明了電路良好的恒流性能。改變V0的大小，可在Vin=0時改變Io的輸出。在V0一定時改變Rw的大小，可以改變Vin與Io的比例關(guān)系。由Io≈(V0+Vi)/Rw　關(guān)系式也可以看出，當(dāng)確定了Vin　和Io之間的比例關(guān)系后，即可方便地確定偏置電壓V0和反饋電阻Rw。例如將0～5V　電壓轉(zhuǎn)換成0～5mA的電流信號，可令V0=0，Rw=1kΩ，其中Vo=0相當(dāng)于將其直接接地。若將0～5V電壓信號轉(zhuǎn)換成1～5mA電流信號，則可確定V0=1.25V，Rw=1.25kΩ。同樣若將4～20mA　電流信號轉(zhuǎn)換成1～5mA電流信號，只需先將4～20mA轉(zhuǎn)換成電壓即可按上述關(guān)系確定V0和Rw的參數(shù)大小，其他轉(zhuǎn)換可依次類推。

為了使輸入輸出獲得良好的線性對應(yīng)關(guān)系，要特別注意元器件的選擇，如輸入電阻R1、R2及反饋電阻Rw，要選用低溫漂的精密電阻或精密電位器，元件要經(jīng)過精確測量后再焊接，并經(jīng)過仔細(xì)調(diào)試以獲得最佳的性能。我們在多次實際應(yīng)用中測試，上述轉(zhuǎn)換電路的最大非線性失真一般小于0.03%　，轉(zhuǎn)換精度符合要求。

2　電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路

電壓/頻率轉(zhuǎn)換即V/F　轉(zhuǎn)換，是將一定的輸入電壓信號按線性的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成頻率信號，當(dāng)輸入電壓變化時，輸出頻率也響應(yīng)變化。針對煤礦的特殊要求，我們只分析如何將電壓轉(zhuǎn)換成200～1000Hz的頻率信號。

實現(xiàn)V/F　轉(zhuǎn)換有很多的集成芯片可以利用，其中LM331是一款性能價格比較高的芯片，由美國NS公司生產(chǎn)，是一種目前十分常用的電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，還可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器及其他相關(guān)器件。由于LM331采用了新的溫度補償能隙基準(zhǔn)電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬，可達100dB;線性度好，最大非線性失真小于0.01%　，工作頻率低到1Hz時尚有較好的線性;變換精度高，數(shù)字分辨率可達12位;外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V　等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。LM331可采用雙電源或單電源供電，可工作在4.0～40V　之間，輸出可高達40V，而且可以防止Vs短路。圖2是由LM331組成的典型的電壓/頻率變換器。

其輸出頻率與電路參數(shù)的關(guān)系為：

Fout=　Vin·Rs/(2.09·R1·Rt·Ct)

可見，在參數(shù)Rs、R1、Rt、Ct確定后，輸出脈沖頻率Fout與輸入電壓Vin成正比，從而實現(xiàn)了電壓-頻率的線性變換。改變式中Rs的值，可調(diào)節(jié)電路的轉(zhuǎn)換增益，即V和F之間的線性比例關(guān)系。將1～5V　的電壓轉(zhuǎn)換成200～　1000Hz的頻率信號，電路參數(shù)理論值為R　=18kΩ，Ct=0.022uF，R1=100kΩ，Rs=16.5528kΩ，由于元器件與標(biāo)稱值存在誤差，在電路參數(shù)基本確定后，通過調(diào)節(jié)Rs的電位器，可以實現(xiàn)所需V/F線性變換。

由Fout=　Vin·Rs/(2.09·R1·Rt·Ct)可知，電阻Rs、R1、Rt和電容Ct直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果Fout，因此對元件的精度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇，其中Rt、Ct、Rs、R1要選用低溫漂的穩(wěn)定元件，Cin可根據(jù)需要選擇0.1uF　或1uF　。電容C1對轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒有直接的影響，但應(yīng)選擇漏電流小的電容器。電阻R1和電容C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。電路中的47Ω　電阻對確保電路線性失真度小于0.03%　是十分必須的。

圖2電路是將1～5V　的電壓轉(zhuǎn)換成200～1000Hz的頻率信號的典型電路及參數(shù)，要實現(xiàn)將4～20mA或0～5V轉(zhuǎn)換成200～1000Hz的頻率信號只要增加一些輔助電路即可實現(xiàn)，其他轉(zhuǎn)換也依此類推。

3　結(jié)語

以上介紹的兩個轉(zhuǎn)換電路所需費用低，且結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，非常易于實現(xiàn)，并且經(jīng)過我們的礦用監(jiān)測設(shè)備多次的實際現(xiàn)場應(yīng)用，其對于國內(nèi)一般的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的接入信號的要求都能夠很好地滿足應(yīng)用。