中心議題：
- 一般工業(yè)現場(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／頻率轉換電路的設計和原理
解決方案：
- 選擇合適的元器件，使輸入輸出獲得良好的線(xiàn)性對應關(guān)系
- 采用ＬＭ３３，實(shí)現Ｖ／Ｆ 轉換
- 采用相應元件組成低通濾波器，減少輸入電壓中的干擾脈沖
隨著(zhù)電子技術(shù)和計算機技術(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，檢測傳感器件起著(zhù)越來(lái)越重要的作用，各種先進(jìn)的傳感器正在大量應用。
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(yè)現場(chǎng)使用的傳感器要實(shí)現在煤礦的應用，除了考慮防爆因素外，還必須進(jìn)行輸出模擬信號的轉換。這種輸出信號的轉換如果購買(mǎi)專(zhuān)用的轉換設備，不僅價(jià)格高，使用也不是很方便。實(shí)際上自己設計制作一些轉換電路也可以方便的實(shí)現所需性能，下面就介紹兩種實(shí)用的電壓／電流、電壓／頻率轉換電路的設計和原理。
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(mǎn)足一定關(guān)系的電流信號，轉換后的電流相當一個(gè)輸出可調的恒流源，其輸出電流應能夠保持穩定而不會(huì )隨負載的變化而變化。Ｖ／Ｉ轉換原理如圖１。
由圖１可見(jiàn)，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(jìn)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＝?。ǎ保。耄桑?bull;Ｒｗ
?。ǎ霝椋拢牵梗埃保车姆糯蟊稊担?/p>
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＝?。ǎ保保耄桑?bull;Ｒｗ
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 電壓轉換成０～５ｍＡ的電流信號，可令Ｖ０＝０，Ｒｗ＝１ｋΩ，其中Ｖｏ＝０相當于將其直接接地。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(guān)系確定Ｖ０和Ｒｗ的參數大小，其他轉換可依次類(lèi)推。
為了使輸入輸出獲得良好的線(xiàn)性對應關(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)精確測量后再焊接，并經(jīng)過(guò)仔細調試以獲得最佳的性能。我們在多次實(shí)際應用中測試，上述轉換電路的最大非線(xiàn)性失真一般小于０．０３％ ，轉換精度符合要求。
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(xiàn)性的比例關(guān)系轉換成頻率信號，當輸入電壓變化時(shí)，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(shí)現Ｖ／Ｆ 轉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／頻率轉換器，還可用作精密頻率電壓轉換器、Ａ／Ｄ轉換器、線(xiàn)性頻率調制解調、長(cháng)時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。由于ＬＭ３３１采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個(gè)工作溫度范圍內和低到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１００ｄＢ；線(xiàn)性度好，最大非線(xiàn)性失真小于０．０１％ ，工作頻率低到１Ｈｚ時(shí)尚有較好的線(xiàn)性；變換精度高，數字分辨率可達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成Ｖ／Ｆ或Ｆ／Ｖ 等變換電路，并且容易保證轉換精度。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)現了電壓－頻率的線(xiàn)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(xiàn)性比例關(guān)系。將１～５Ｖ 的電壓轉換成２００～?。保埃埃埃龋念l率信號，電路參數理論值為Ｒ?。剑保福?Omega;，Ｃｔ＝０．０２２ｕＦ，Ｒ１＝１００ｋΩ，Ｒｓ＝１６．５５２８ｋΩ，由于元器件與標稱(chēng)值存在誤差，在電路參數基本確定后，通過(guò)調節Ｒｓ的電位器，可以實(shí)現所需Ｖ／Ｆ線(xiàn)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(méi)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沖，有利于提高轉換精度。電路中的４７Ω 電阻對確保電路線(xiàn)性失真度小于０．０３％ 是十分必須的。
圖２電路是將１～５Ｖ 的電壓轉換成２００～１０００Ｈｚ的頻率信號的典型電路及參數，要實(shí)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(shí)現，其他轉換也依此類(lèi)推。
結語(yǔ)
以上介紹的兩個(gè)轉換電路所需費用低，且結構簡(jiǎn)單，調試方便，非常易于實(shí)現，并且經(jīng)過(guò)我們的礦用監測設備多次的實(shí)際現場(chǎng)應用，其對于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(mǎn)足應用。
