感測器中的電壓/電流、電壓/頻率變換的實現

    隨著電子技術和計算機技術的迅速進步，工業自動化得到了快速發展，而在工業控制領域，檢測感測器件起著越來越重要的作用，各種先進的感測器正在大量應用。但是很多感測器只提供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測系統大部分只允許接入1～5mA或者200～1000Hz的模擬信號，所以在一般工業現場使用的感測器要實現在煤礦的應用，除了考慮防爆因素外，還必須進行輸出模擬信號的轉換。這種輸出信號的轉換如果購買專用的轉換設備，不僅價格高，使用也不是很方便。實際上自己設計製作一些轉換電路也可以方便的實現所需性能，下面就介紹兩種實用的電壓/電流、電壓/頻率轉換電路的設計和原理。

1 電壓/電流轉換電路
    電壓/電流轉換即V/I轉換，是將輸入的電壓信號轉換成滿足一定關係的電流信號，轉換后的電流相當一個輸出可調的恆流源，其輸出電流應能夠保持穩定而不會隨負載的變化而變化。V/I轉換原理如圖1。
  
    由圖1可見，電路主要元件為一運算放大器LM324和三極體BG9013及其他輔助元件構成，V0為偏置電壓，Vin為輸入電壓即待轉換電壓，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，經運算放大器放大后再經三極體放大，BG9013的射級電流Ie作用在電位器Rw上，由運放性質可知：
V-= Ie·Rw= (1+ k)Ib·Rw
(k為BG9013的放大倍數)
    流經負荷R 的電流Io即BG9013的集電極電流等於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，而與負載電阻R 的大小無關，說明了電路良好的恆流性能。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的比例關係。由Io≈(V0+Vi)/Rw 關係式也可以看出，當確定了Vin 和Io之間的比例關係后，即可方便地確定偏置電壓V0和反饋電阻Rw。例如將0～5V 電壓轉換成0～5mA的電流信號，可令V0=0，Rw=1kΩ，其中Vo=0相當於將其直接接地。若將0～5V電壓信號轉換成1～5mA電流信號，則可確定V0=1.25V，Rw=1.25kΩ。同樣若將4～20mA 電流信號轉換成1～5mA電流信號，只需先將4～20mA轉換成電壓即可按上述關係確定V0和Rw的參數大小，其他轉換可依次類推。
    為了使輸入輸出獲得良好的線性對應關係，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，元件要經過精確測量后再焊接，並經過仔細調試以獲得最佳的性能。我們在多次實際應用中測試，上述轉換電路的最大非線性失真一般小於0.03% ，轉換精度符合要求。

2 電壓/頻率轉換電路
     電壓/頻率轉換即V/F 轉換，是將一定的輸入電壓信號按線性的比例關係轉換成頻率信號，當輸入電壓變化時，輸出頻率也響應變化。針對煤礦的特殊要求，我們只分析如何將電壓轉換成200～1000Hz的頻率信號。
    實現V/F 轉換有很多的集成晶元可以利用，其中LM331是一款性能價格比較高的晶元，由美國NS公司生產，是一種目前十分常用的電壓/頻率轉換器，還可用作精密頻率電壓轉換器、A/D轉換器、線性頻率調製解調、長時間積分器及其他相關器件。由於LM331採用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度範圍內和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態範圍寬，可達100dB；線性度好，最大非線性失真小於0.01% ，工作頻率低到1Hz時尚有較好的線性；變換精度高，數字解析度可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成V/F或F/V 等變換電路，並且容易保證轉換精度。LM331可採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的關係為：
Fout= Vin·Rs/(2.09·R1·Rt·Ct)
    可見，在參數Rs、R1、Rt、Ct確定后，輸出脈衝頻率Fout與輸入電壓Vin成正比，從而實現了電壓-頻率的線性變換。改變式中Rs的值，可調節電路的轉換增益，即V和F之間的線性比例關係。將1～5V 的電壓轉換成200～ 1000Hz的頻率信號，電路參數理論值為R =18kΩ，Ct=0.022uF，R1=100kΩ，Rs=16.5528kΩ，由於元器件與標稱值存在誤差，在電路參數基本確定后，通過調節Rs的電位器，可以實現所需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直接影響轉換結果Fout，因此對元件的精度要有一定的要求，可根據轉換精度適當選擇，其中Rt、Ct、Rs、R1要選用低溫漂的穩定元件，Cin可根據需要選擇0.1uF 或1uF 。電容C1對轉換結果雖然沒有直接的影響，但應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衝，有利於提高轉換精度。電路中的47Ω 電阻對確保電路線性失真度小於0.03% 是十分必須的。
    圖2電路是將1～5V 的電壓轉換成200～1000Hz的頻率信號的典型電路及參數，要實現將4～20mA或0～5V轉換成200～1000Hz的頻率信號只要增加一些輔助電路即可實現，其他轉換也依此類推。

3 結語
    以上介紹的兩個轉換電路所需費用低，且結構簡單，調試方便，非常易於實現，並且經過我們的礦用監測設備多次的實際現場應用，其對於國內一般的煤礦安全監測系統的接入信號的要求都能夠很好地滿足應用。