中心議題：
- 一般工業(yè)現(xiàn)場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)換如果購買專用的轉(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，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：
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(shí)，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(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)過精確測(cè)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?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(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：
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(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～ １０００Ｈｚ的頻率信號(hào)，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(shí)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(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
以上介紹的兩個(gè)轉(zhuǎn)換電路所需費(fèi)用低，且結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，非常易于實(shí)現(xiàn)，并且經(jīng)過我們的礦用監(jiān)測(cè)設(shè)備多次的實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用，其對(duì)于國內(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。
