交流信號(hào)轉(zhuǎn)直流信號(hào)電路設(shè)計(jì)

摘要：為了解決傳感器交流輸出與儀器儀表直流輸入之間信號(hào)不匹配問(wèn)題，根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦院瓦\(yùn)算放大器的深度負(fù)反饋原理，設(shè)計(jì)了精密全波整流電路。經(jīng)實(shí)測(cè)證明，當(dāng)交流信號(hào)有效值在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，該電路可以實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)到直流信號(hào)的精確轉(zhuǎn)換。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/192736.htm

關(guān)鍵詞：全波整流；有效值；運(yùn)算放大器；線(xiàn)性光耦；隔離電壓

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.011

工業(yè)測(cè)量和控制系統(tǒng)中，傳感器輸出信號(hào)為多種形式的模擬量，其多數(shù)不能被直接使用，而需要經(jīng)過(guò)變送電路將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的直流模擬信號(hào)（1～5V或4～20mA），再根據(jù)系統(tǒng)需要，用數(shù)據(jù)采集卡將直流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可參與計(jì)算和完成過(guò)程控制的數(shù)字量。目前市場(chǎng)上的儀器儀表多以直流輸入信號(hào)為主，而交流信號(hào)是傳感器輸出信號(hào)中較為多見(jiàn)的一種，為此需要設(shè)計(jì)一個(gè)交直流信號(hào)變送模塊，將多種交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的直流信號(hào)量，以便于能夠被控制儀表、計(jì)算機(jī)或PLC等系統(tǒng)中的控制單元所識(shí)別。

該模塊共由五個(gè)主要部分組成：輸入緩沖電路，全波精密整流電路，光電隔離電路，線(xiàn)性輸出電路和隔離電源。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

輸入緩沖電路

傳感器的交流輸出多為電壓信號(hào)。為了降低信號(hào)源的負(fù)載，通常需要提高下一級(jí)的信號(hào)輸入阻抗，采用以運(yùn)放為核心的電壓跟隨器作為模塊的輸入級(jí)是有效的解決方式。由于傳感器產(chǎn)生的交流信號(hào)頻率范圍比較寬，選擇運(yùn)算放大器時(shí)得考慮選擇寬頻，高速的特殊放大器。例如，AD711就符合這方面要求，它具有1012Ω輸入阻抗，小信號(hào)輸入帶寬可達(dá)到4MHz[5]。

該部分為全波精密整流電路，是整個(gè)模塊的核心部分。其輸出電壓為變送模塊輸入電壓的絕對(duì)值，因此也叫絕對(duì)值電路[1]。二極管具有單向?qū)щ娦?，是常用的整流元件，但二極管非線(xiàn)性比較大且有一個(gè)正向?qū)妷?，?dāng)信號(hào)幅度小于二極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，使得整流出來(lái)的信號(hào)誤差非常大，為了提高精度，可利用運(yùn)算放大器的放大作用和深度負(fù)反饋來(lái)克服二極管非線(xiàn)性和正向?qū)▔航翟斐傻恼`差。

全波精密整流電路分為兩部分，第一部分由運(yùn)放U1A及周邊器件構(gòu)成半波精密整流電路，第二部分由U1B及周邊器件構(gòu)成反相求和電路。詳見(jiàn)圖2。

半波精密整流電路

交流轉(zhuǎn)直流變送模塊作為過(guò)程控制系統(tǒng)信號(hào)采集的前級(jí)儀器，其直流信號(hào)輸出通常是連接到二次儀表或其他數(shù)據(jù)采集模塊上。為了降低輸入交流信號(hào)對(duì)輸出直流信號(hào)以及后級(jí)儀表干擾，采取了在模塊的輸入級(jí)和輸出級(jí)之間增加線(xiàn)性光耦和隔離電源的措施。借助光耦，輸入信號(hào)在經(jīng)過(guò)了電壓→電流→發(fā)光→電流→電壓的傳遞過(guò)程同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了信號(hào)前后級(jí)無(wú)電氣聯(lián)系的光電隔離。因此線(xiàn)性光耦是模塊中實(shí)現(xiàn)光電隔離功能的重要器件，其性能將對(duì)整個(gè)變送模塊的精度產(chǎn)生重要影響。此處設(shè)計(jì)采用的線(xiàn)性光耦是SLC800，它具有線(xiàn)性度好，隔離電壓高，可靠性好，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖及在此次設(shè)計(jì)中的應(yīng)用電路如圖4所示。

隔離電路工作原理

由SLC800的LED，二極管PD1及運(yùn)放U2A組成隔離電路的信號(hào)輸入部分，二極管PD2及電阻R10構(gòu)成隔離電路的輸出部分。假定該隔離電路的輸入電壓為Vi，輸出電壓為Vo，SLC800的LED、PD1、PD2產(chǎn)生的電流分別為If、I1、I2，LED發(fā)光二極管與在PD1、PD2上產(chǎn)生的電流比分別為K1、K2，同時(shí)PD1與PD2的電流比定為K3[2]。當(dāng)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) R7→U2A+→R8→LED→PD1→U2A-/ R9，此時(shí)運(yùn)放U2A正好工作于深度負(fù)反饋中，使得SLC800產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出。

從S L C 8 0 0數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，I2=K3*I1，I1=K1*If，由于If=Vi/R8，Vo=I2*R10，故：

Vo=K1*K3*（R10/R8）*Vi （3）

式（3）中K1和K3為每個(gè)芯片的特性參數(shù)[2]，因此根據(jù)輸入信號(hào)范圍可適當(dāng)選取R8和R10的阻值，以獲取合適的輸出電壓范圍。隔離電路中R8不僅用于調(diào)節(jié)電流If大小，同時(shí)還用來(lái)調(diào)節(jié)由于芯片之間K值的分散度而導(dǎo)致的SLC800實(shí)際輸出電壓與設(shè)計(jì)值之間的偏差。

線(xiàn)性輸出電路主要是實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性電流的輸出和調(diào)節(jié)整個(gè)變送模塊的輸出零點(diǎn)與量程。其構(gòu)成及具體功能如下：

可調(diào)電阻R21和U3A組成線(xiàn)性輸出電路的調(diào)零電路。2.5V直流參考電壓從穩(wěn)壓管TL431獲得，通過(guò)可變電阻器R21分壓調(diào)節(jié)整個(gè)電路最終輸出電流的零點(diǎn)。U3B用作光耦SLC800輸出的直流電壓Vo（見(jiàn)圖4）的輸入緩沖器，用來(lái)提高信號(hào)輸入阻抗，降低信號(hào)的負(fù)載。

信號(hào)隔離不僅需要信號(hào)回路的前后級(jí)隔離，同時(shí)也要把信號(hào)回路前后級(jí)的供電隔離，這樣以避免因干擾通過(guò)供電電源對(duì)后級(jí)輸出產(chǎn)生影響。本次設(shè)計(jì)采用的隔離電源是金升陽(yáng)公司生產(chǎn)的A1209D-2W，它具有體積小，隔離電壓高，溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)[4]。

分別選正弦波、三角波、鋸齒波3種不同交流信號(hào)作為輸入，此次測(cè)試輸入的有效值為0～1.2V，測(cè)試結(jié)果顯示整個(gè)電路誤差保持在0.1%之內(nèi)，滿(mǎn)足了一般現(xiàn)場(chǎng)的精度要求，測(cè)試數(shù)據(jù)詳細(xì)見(jiàn)表1。

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)用戶(hù)使用反饋，該模塊不僅精度高、線(xiàn)性度好而且穩(wěn)定。同時(shí)其體積比較小，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空間要求不高，便于安裝。模塊中所用的器件多為通用元件，價(jià)格低且易于購(gòu)買(mǎi)，大量使用時(shí)具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。使其不僅可以作為獨(dú)立儀器使用，也可嵌入到現(xiàn)有的直流輸入儀表及數(shù)據(jù)采集單元中，擴(kuò)展其信號(hào)輸入種類(lèi)。因此，在解決交直流信號(hào)轉(zhuǎn)換問(wèn)題上該模塊具有很好的應(yīng)用空間和市場(chǎng)價(jià)值。