一種毫伏信號遠程傳送的電路

孫國榮　孫巍　姜一東

摘要：在毫伏信號遠距離傳輸過程中，干擾通常是通過電源線和地線串入小信號電壓傳輸系統引起信號傳輸的誤差，在工業控制中甚至可能導致嚴重后果。因此，必須將模擬量轉換為數字量，增強傳輸加強信號的抗干擾性，消除由共地和共電源線而串入的干擾信號。

關鍵詞：毫伏信號；抗干擾性；信號傳輸

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）12-0064-02

一、引言

在工業生產中，經常需要在兩個不同的模塊之間傳送模擬信號，并且要保證安全可靠的傳送。通常兩個不同模塊之間的電位可以相差幾百伏乃至幾千伏。特別是在一些以微處理器為核心的電力電子裝置中，需要傳送代表輸出特性的參考信號，而運行于高頻開關狀態的功率電路與控制電路往往不在同一電路板上，為了防止強電磁干擾串到微機系統導致系統運行異常，并降低工頻干擾，在信號傳送的時候需要嚴格隔離。在工業過程控制與測量系統中更是普遍需要用到模擬量隔離傳輸技術。為了解決毫伏小信號遠距離傳輸中抗干擾的問題，用低成本高可靠的產品，在高干擾下實現信號傳輸并増加生產線的自動化程度。

二、電路框架

毫伏信號由于其幅度太小，而且電信號中有許多成分，其中又有不需要的交流信號，為了將這些不需要的交流信號去掉，所以需要將其先通過濾波，通過濾波后的小信號依然還很小，因此需要進一步將小信號放大，但放大后的小信號仍然很不穩定，經過進一步的濾波后的信號將會穩定很多，但是依然達不到工業上的要求，因此需要轉換成頻率信號加上一定的整形，將其功率放大，繼而能相當好的提高抗干擾能力。

1.干擾與解決方法。在工業應用中外部干擾普遍存在于電源干擾、電路接地不當干擾、電磁兼容性和空間電磁耦合干擾這三類干擾。毫伏信號很容易受到內部和外界的一些不需要的電壓、電流以及電磁騷動的干擾。采用加上整形電路與濾波電路，利用它們的特性，使放大后已經產生變形的波形重新進行整形與濾波等一系列的轉變，最終傳輸出能為我們所使用的坡形較為陡直且無多余紋波信號的矩形波，以便信號接收器能清晰地接收。

2.同相一級、二級放大器。同相一級放大器如圖1所示，R12、R14與R13引入深度串聯電壓負反饋，所以運放工作在線性區。

一級放大倍數的計算：Auf=1+[R13÷（R12+R14）]=1+[20÷（10+20）]≈1.67

因為通過一級放大信號不能過大，所以需要再次使用放大器，同相二級放大器如圖2所示。

同相二級放大倍數的計算：當滑動變阻器RP1的阻值調到0時，Auf=1+[R3÷（R5+RP1）]=1+（1.5÷33）≈1.045；當滑動變阻器RP1的阻值調整到最大時，Auf=1+[R3÷（R5+RP1）]=1+（1.5÷43）≈1.035。

3.壓頻變換器電路。圖3為壓頻變換器電路，運放LM324和晶體管T1構成電壓—電流變換電路，輸入電壓VIN變成電流Vin÷R7（1+R2÷R4）。555構成單穩定時電路，輸出脈沖寬度為1.1R10×C2秒。D1和D2是管理恒流Vz/R6流向的開關。假定開始555輸出低電平，則T2的恒定電流流過D2旁路，D1截止，C1由T1的電流VIN÷R7（1+R2÷R4）（略去T1的基極電流）積分充電。當C1充電使555第2腳電壓下降到5V時，555受觸發輸出定時1.1×R10×C2的高電平。在此高電平維持期間，D2截止，T2的恒定電流經D1向C1反積分放電。放電的電流和時間均固定，故電荷也固定。定時放電結束后，C1又由T1積分充電，這個充電電荷也應與反電荷相等，達到充放電平衡。VIN值大則C1的充電電流大，充電時間短，555輸出脈沖的周期就短，頻率高；反之則輸出頻率低。VIN與VOUT有以下線性關系：V=R4×V÷（R2+R4）×R7×I×C2×Tw。其中I×C2是T2的恒流值，Tw等于1.1×R10×C2是555單穩定時脈沖寬度。R2、R4是輸入分壓電阻。

影響精度的主要因素為R2、R4、R6、R7、C1及C2的穩定性，T2的恒流特性，T1的hFE線性，等等。D1、D4用高速開關二極管，D2用高穩定性的穩壓管，如2DW232～235。

4.以下是實際仿真波形。

三、結論

毫伏信號經過施密特整形電路，到達波形整波的目的，使原有信號變成上下幅度較大、波形比較陡直的信號。信號經過π型濾波電路，濾除掉因整形而產生的多余的紋波信號。信號再次經過一次施密特整形電路，是為了完成信號的再次整形，使波形更加接近于矩形波。隨后，信號經過單穩態的觸發器，它的觸發方式為下降沿觸發，使用下降沿觸發是為了防止空翻，使觸發更具可靠性。而且單穩態觸發器還能完成F/V之間的轉換，使頻率轉換成電壓，被更遠地傳送出去。再次，信號經過一次L型的濾波，使信號波形能夠更加陡直，電路中多次進行整形與濾波都是為了使波形更加接近于陡直的矩形波。最后，信號經過阻抗跟隨器增大輸入阻抗，減小輸出阻抗，使負載能力得到提升便于遠距離的傳輸。此電路結構簡單實用，具有極強的推廣價值。

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