传感器中的电压/电流、电压/频率变换的实现

随着电子技术和计算机技术的迅速进步，工业自动化得到了快速发展，而在工业控制领域，检测传感器件起着越来越重要的作用，各种先进的传感器正在大量应用。 
　　但是很多传感器只提供４～２０ｍＡ或者０～５Ｖ的直流模拟信号输出，而我国煤矿使用的煤矿安全监测系统大部分只允许接入１～５ｍＡ或者２００～１０００Ｈｚ的模拟信号，所以在一般工业现场使用的传感器要实现在煤矿的应用，除了考虑防爆因素外，还必须进行输出模拟信号的转换。这种输出信号的转换如果购买专用的转换设备，不仅价格高，使用也不是很方便。实际上自己设计制作一些转换电路也可以方便的实现所需性能，下面就介绍两种实用的电压／电流、电压／频率转换电路的设计和原理。

　　１　电压／电流转换电路
　　电压／电流转换即Ｖ／Ｉ转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。Ｖ／Ｉ转换原理如图１。
　　由图１可见，电路主要元件为一运算放大器ＬＭ３２４和三极管ＢＧ９０１３及其他辅助元件构成，Ｖ０为偏置电压，Ｖｉｎ为输入电压即待转换电压，Ｒ　为负载电阻。其中运算放大器起比较器作用，将正相端电压输入信号与反相端电压Ｖ－进行比较，经运算放大器放大后再经三极管放大，ＢＧ９０１３的射级电流Ｉｅ作用在电位器Ｒｗ上，由运放性质可知：
　　Ｖ－＝　Ｉｅ·Ｒｗ＝　（１＋　ｋ）Ｉｂ·Ｒｗ
　　（ｋ为ＢＧ９０１３的放大倍数）
　　流经负荷Ｒ　的电流Ｉｏ即ＢＧ９０１３的集电极电流等于ｋ·Ｉｂ。令Ｒ１＝Ｒ２，则有
　　Ｖ０＋Ｖｍ＝　Ｖ＋＝　Ｖ－＝　（１＋ｋ）Ｉｂ·Ｒｗ＝　（１＋１／ｋ）Ｉｏ·Ｒｗ
　　其中ｋ》１，所以Ｉｏ≈　（Ｖｏ＋Ｖｉｎ）／Ｒｗ。
　　由上述分析可见，输出电流Ｉｏ的大小在偏置电压和反馈电阻Ｒｗ为定值时，与输入电压Ｖｉｎ成正比，而与负载电阻Ｒ　的大小无关，说明了电路良好的恒流性能。改变Ｖ０的大小，可在Ｖｉｎ＝０时改变Ｉｏ的输出。在Ｖ０一定时改变Ｒｗ的大小，可以改变Ｖｉｎ与Ｉｏ的比例关系。由Ｉｏ≈（Ｖ０＋Ｖｉ）／Ｒｗ　关系式也可以看出，当确定了Ｖｉｎ　和Ｉｏ之间的比例关系后，即可方便地确定偏置电压Ｖ０和反馈电阻Ｒｗ。例如将０～５Ｖ　电压转换成０～５ｍＡ的电流信号，可令Ｖ０＝０，Ｒｗ＝１ｋΩ，其中Ｖｏ＝０相当于将其直接接地。若将０～５Ｖ电压信号转换成１～５ｍＡ电流信号，则可确定Ｖ０＝１．２５Ｖ，Ｒｗ＝１．２５ｋΩ。同样若将４～２０ｍＡ　电流信号转换成１～５ｍＡ电流信号，只需先将４～２０ｍＡ转换成电压即可按上述关系确定Ｖ０和Ｒｗ的参数大小，其他转换可依次类推。
　　为了使输入输出获得良好的线性对应关系，要特别注意元器件的选择，如输入电阻Ｒ１、Ｒ２及反馈电阻Ｒｗ，要选用低温漂的精密电阻或精密电位器，元件要经过xx测量后再焊接，并经过仔细调试以获得{zj0}的性能。我们在多次实际应用中测试，上述转换电路的{zd0}非线性失真一般小于０．０３％　，转换精度符合要求。
　　２　电压／频率转换电路
　　电压／频率转换即Ｖ／Ｆ　转换，是将一定的输入电压信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。针对煤矿的特殊要求，我们只分析如何将电压转换成２００～１０００Ｈｚ的频率信号。
　　实现Ｖ／Ｆ　转换有很多的集成芯片可以利用，其中ＬＭ３３１是一款性能价格比较高的芯片，由美国ＮＳ公司生产，是一种目前十分常用的电压／频率转换器，还可用作精密频率电压转换器、Ａ／Ｄ转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。由于ＬＭ３３１采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到４．０Ｖ电源电压下都有极高的精度。ＬＭ３３１的动态范围宽，可达１００ｄＢ；线性度好，{zd0}非线性失真小于０．０１％　，工作频率低到１Ｈｚ时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达１２位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成Ｖ／Ｆ或Ｆ／Ｖ　等变换电路，并且容易保证转换精度。ＬＭ３３１可采用双电源或单电源供电，可工作在４．０～４０Ｖ　之间，输出可高达４０Ｖ，而且可以防止Ｖｓ短路。图２是由ＬＭ３３１组成的典型的电压／频率变换器。

　　其输出频率与电路参数的关系为：
　　Ｆｏｕｔ＝　Ｖｉｎ·Ｒｓ／（２．０９·Ｒ１·Ｒｔ·Ｃｔ）
　　可见，在参数Ｒｓ、Ｒ１、Ｒｔ、Ｃｔ确定后，输出脉冲频率Ｆｏｕｔ与输入电压Ｖｉｎ成正比，从而实现了电压－频率的线性变换。改变式中Ｒｓ的值，可调节电路的转换增益，即Ｖ和Ｆ之间的线性比例关系。将１～５Ｖ　的电压转换成２００～　１０００Ｈｚ的频率信号，电路参数理论值为Ｒ　＝１８ｋΩ，Ｃｔ＝０．０２２ｕＦ，Ｒ１＝１００ｋΩ，Ｒｓ＝１６．５５２８ｋΩ，由于元器件与标称值存在误差，在电路参数基本确定后，通过调节Ｒｓ的电位器，可以实现所需Ｖ／Ｆ线性变换。
　　由Ｆｏｕｔ＝　Ｖｉｎ·Ｒｓ／（２．０９·Ｒ１·Ｒｔ·Ｃｔ）可知，电阻Ｒｓ、Ｒ１、Ｒｔ和电容Ｃｔ直接影响转换结果Ｆｏｕｔ，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择，其中Ｒｔ、Ｃｔ、Ｒｓ、Ｒ１要选用低温漂的稳定元件，Ｃｉｎ可根据需要选择０．１ｕＦ　或１ｕＦ　。电容Ｃ１对转换结果虽然没有直接的影响，但应选择漏电流小的电容器。电阻Ｒ１和电容Ｃ１组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。电路中的４７Ω　电阻对确保电路线性失真度小于０．０３％　是十分必须的。
　　图２电路是将１～５Ｖ　的电压转换成２００～１０００Ｈｚ的频率信号的典型电路及参数，要实现将４～２０ｍＡ或０～５Ｖ转换成２００～１０００Ｈｚ的频率信号只要增加一些辅助电路即可实现，其他转换也依此类推。
　　３　结语
　　以上介绍的两个转换电路所需费用低，且结构简单，调试方便，非常易于实现，并且经过我们的矿用监测设备多次的实际现场应用，其对于国内一般的煤矿安全监测系统的接入信号的要求都能够很好地满足应用。

    本文可能所用到的IC型号：