电压电流、电压频率转换电路

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1、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420mA或者05V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15mA或 者2001000Hz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

2、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。B 1V/7转换刚跨愿驛滋血co搐由图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

3、，由运放性质可知：V-二 IeRw二(1+ k)IbRw(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kIb。令R1=R2， 则有V0+Vm= V+= V-= (l+k)Ib Rw二(l+l/k)Io Rw 其中 k1,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

4、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05V电压转换成05mA的电流信号，可令V0=0, Rw=lkQ , 其中Vo=0相当于将其直接接地。若将05V电压信号转换成15mA电流信号， 则可确定V0=1.25V, Rw=1.25kQ。同样若将420mA电流信号转换成15mA 电流信号，只需先将420mA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 件要经过精确测量后再焊接，并

5、经过仔细调试以获得最佳的性能。我们在多次实 际应用中测试，上述转换电路的最大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2001000Hz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。

6、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，最大非线性失真小于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4.040V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。+vffi 2 V/F 转换电ffi 19com其输出频率与电路参数的关系为：Fout二

7、 Vin Rs/(2.09 RlRtCt)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15V的电压转换成2001000Hz的频率信号，电路参数理论值为R =18kQ , Ct二0.022uF, Rl=100kQ , Rs=16.5528kQ，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二VinRs/(2.09 RlRtCt)可知，电阻Rs、Rl、Rt和电容 Ct直接影响转换结果Fou

8、t，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O.luF或luF。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47Q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15V的电压转换成2001000Hz的频率信号的典型电路 及参数，要实现将420mA或05V转换成2001000Hz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。