中心議題:
- 一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的傳感器需要改進(jìn)
- 介紹兩種實(shí)用的電壓/電流、電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)和原理
解決方案:
- 選擇合適的元器件,使輸入輸出獲得良好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系
- 采用LM33,實(shí)現(xiàn)V/F 轉(zhuǎn)換
- 采用相應(yīng)元件組成低通濾波器,減少輸入電壓中的干擾脈沖
隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速進(jìn)步,工業(yè)自動(dòng)化得到了快速發(fā)展,而在工業(yè)控制領(lǐng)域,檢測(cè)傳感器件起著越來(lái)越重要的作用,各種先進(jìn)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(hào)輸出,而我國(guó)煤礦使用的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大部分只允許接入1~5mA或者200~1000Hz的模擬信號(hào),所以在一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的傳感器要實(shí)現(xiàn)在煤礦的應(yīng)用,除了考慮防爆因素外,還必須進(jìn)行輸出模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。這種輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換如果購(gòu)買(mǎi)專用的轉(zhuǎn)換設(shè)備,不僅價(jià)格高,使用也不是很方便。實(shí)際上自己設(shè)計(jì)制作一些轉(zhuǎn)換電路也可以方便的實(shí)現(xiàn)所需性能,下面就介紹兩種實(shí)用的電壓/電流、電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)和原理。
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(hào)轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號(hào),轉(zhuǎn)換后的電流相當(dāng)一個(gè)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(huì)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(jiàn),電路主要元件為一運(yùn)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(yùn)算放大器起比較器作用,將正相端電壓輸入信號(hào)與反相端電壓V-進(jìn)行比較,經(jīng)運(yùn)算放大器放大后再經(jīng)三極管放大,BG9013的射級(jí)電流Ie作用在電位器Rw上,由運(yùn)放性質(zhì)可知:
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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
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其中k》1,所以Io≈?。ǎ郑铮郑椋睿遥?。
由上述分析可見(jiàn),輸出電流Io的大小在偏置電壓和反饋電阻Rw為定值時(shí),與輸入電壓Vin成正比,而與負(fù)載電阻R 的大小無(wú)關(guān),說(shuō)明了電路良好的恒流性能。改變V0的大小,可在Vin=0時(shí)改變Io的輸出。在V0一定時(shí)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(hào),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(hào)轉(zhuǎn)換成1~5mA電流信號(hào),則可確定V0=1.25V,Rw=1.25kΩ。同樣若將4~20mA 電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1~5mA電流信號(hào),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(duì)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(guò)精確測(cè)量后再焊接,并經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)試以獲得最佳的性能。我們?cè)诙啻螌?shí)際應(yīng)用中測(cè)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。
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(hào)按線性的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào),當(dāng)輸入電壓變化時(shí),輸出頻率也響應(yīng)變化。針對(duì)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(hào)。
實(shí)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(jià)格比較高的芯片,由美國(guó)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(zhǎng)時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。由于LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路,在整個(gè)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(dòng)態(tài)范圍寬,可達(dá)100dB;線性度好,最大非線性失真小于0.01% ,工作頻率低到1Hz時(shí)尚有較好的線性;變換精度高,數(shù)字分辨率可達(dá)12位;外接電路簡(jiǎn)單,只需接入幾個(gè)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(dá)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:
?。疲铮酰簦健。郑椋?bull;Rs/(2.09•R1•Rt•Ct)
可見(jiàn),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(shí)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~?。保埃埃埃龋念l率信號(hào),電路參數(shù)理論值為R?。剑保福?Omega;,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(guò)調(diào)節(jié)Rs的電位器,可以實(shí)現(xiàn)所需V/F線性變換。
由Fout=?。郑椋?bull;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(duì)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(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果雖然沒(méi)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(duì)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(hào)的典型電路及參數(shù),要實(shí)現(xiàn)將4~20mA或0~5V轉(zhuǎn)換成200~1000Hz的頻率信號(hào)只要增加一些輔助電路即可實(shí)現(xiàn),其他轉(zhuǎn)換也依此類推。
結(jié)語(yǔ)
以上介紹的兩個(gè)轉(zhuǎn)換電路所需費(fèi)用低,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)試方便,非常易于實(shí)現(xiàn),并且經(jīng)過(guò)我們的礦用監(jiān)測(cè)設(shè)備多次的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,其對(duì)于國(guó)內(nèi)一般的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接入信號(hào)的要求都能夠很好地滿足應(yīng)用。