中心議題:
- 一般工業(yè)現(xiàn)場使用的傳感器需要改進
- 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
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應(yīng)關(guān)系
- 采用LM33,實現(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。
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:
?。郑健。桑?bull;Rw= (1+?。耄桑?bull;Rw
(k為BG9013的放大倍數(shù))
流經(jīng)負荷R 的電流Io即BG9013的集電極電流等于k•Ib。令R1=R2,則有
?。郑埃郑恚健。郑健。郑健。ǎ保耄桑?bull;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。
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:
?。疲铮酰簦健。郑椋?bull;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~?。保埃埃埃龋念l率信號,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,通過調(diào)節(jié)Rs的電位器,可以實現(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。
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。