隨著電子技術和計算機技術的迅速進步，工業(yè)自動化得到了快速發(fā)展，而在工業(yè)控制領域，檢測傳感器件起著越來越重要的作用，各種先進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(jiān)測系統(tǒng)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(xiàn)場使用的傳感器要實現(xiàn)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。實際上自己設計制作一些轉換電路也可以方便的實現(xiàn)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系的電流信號，轉換后的電流相當一個輸出可調(diào)的恒流源，其輸出電流應能夠保持穩(wěn)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，由運放性質可知：

V-= Ie·Rw= （1+ k）Ib·Rw

（k為BG9013的放大倍數(shù)）

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

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，說明了電路良好的恒流性能。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的比例關系。由Io≈（V0+Vi）/Rw 關系式也可以看出，當確定了Vin 和Io之間的比例關系后，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系確定V0和Rw的參數(shù)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)過精確測量后再焊接，并經(jīng)過仔細調(diào)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于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系轉換成頻率信號，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(xiàn)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、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器及其他相關器件。由于LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬，可達100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01% ，工作頻率低到1Hz時尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達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，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(shù)的關系為：

Fout= Vin·Rs/（2.09·R1·Rt·Ct）

可見，在參數(shù)Rs、R1、Rt、Ct確定后，輸出脈沖頻率Fout與輸入電壓Vin成正比，從而實現(xiàn)了電壓-頻率的線性變換。改變式中Rs的值，可調(diào)節(jié)電路的轉換增益，即V和F之間的線性比例關系。將1～5V 的電壓轉換成200～ 1000Hz的頻率信號，電路參數(shù)理論值為R =18kΩ，Ct=0.022uF，R1=100kΩ，Rs=16.5528kΩ，由于元器件與標稱值存在誤差，在電路參數(shù)基本確定后，通過調(diào)節(jié)Rs的電位器，可以實現(xiàn)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(jù)轉換精度適當選擇，其中Rt、Ct、Rs、R1要選用低溫漂的穩(wěn)定元件，Cin可根據(jù)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沖，有利于提高轉換精度。電路中的47Ω 電阻對確保電路線性失真度小于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(shù)，要實現(xiàn)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(xiàn)，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(diào)試方便，非常易于實現(xiàn)，并且經(jīng)過我們的礦用監(jiān)測設備多次的實際現(xiàn)場應用，其對于國內(nèi)一般的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的接入信號的要求都能夠很好地滿足應用。

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