信号调理与变送模块化设计.doc

第一章 绪论 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。很多传感器只提供4～20mA或者0～5V的直流模拟信号输出 1.1 电量变送技术研究的意义 电压是一个重要的电参量，是反映被测系统工作状态的重要指标。大量传感器的输出信号都是以电压形式给出的。并且由于电压测量所具有的“仪表并联测量”特征，使得在监测电子系统工作情况时优先考虑采取电压测量的方式。高精度的电压测量是各种其他物理量测量的基础。要测量电阻，电容，电感等这些物理量可以利用电压转换电路测量电压方便的测得所测物理量的值。在工业控制领域，各种先进的传感器正在大量应用。在检测技术转换中，为了便于距离传输，测试信号经常采用电流形式，有些传感器的输出也是采用电流形式的。而实际检测仪器中的测量电路多数是采用电压信号形式工作的，因此，在设计这类自动测试仪器时，总是先用I-V变换电路将仪器输入端的电流信号变换成电压信号，然后才进行实际的测量过程。同样的有传感器输出的电压信号,进行距离传输，就要用V-I变换电路将信号变换成电流进行传输。在工业现场或较大装置的计算机测量控制系统中，由于各功能模块接地点的电位不同，它对系统内的各部分电路，尤其是对模拟电路的正常工作有着很大的影响。所以，测量现场的某些信号或控制设备往往要求相应的隔离，以保护主机正常工作，完成各项控制功能。模拟信号在传输过程中容易受到各种噪声干扰，而经过V/F转换后的数字信号具有较强的抗干扰能力，故适宜远距离传输。 综上所述，不管是在测量还是工业控制领域，电量变送技术都有着不可或缺的意义。 1.2 电量转换常用方法 1.2.1 电阻转换的常用方法 通常在自动测量系统中把电阻值变换为电流或电压值，通过测量电流或电压来间接的计算出电阻值。电阻－电压转换电路根据驱动方式有恒流源方式和恒压源方式两种，分别如图1.1，1.2所示。 分别有 ＝ （1-1） ＝ ?＋ （1-2） 恒流源和恒压源均可以选用专用的集成电路。 对于微弱电阻测量可以用电桥电路进行电阻－电压转换。 1.2.2 电感转换的常用方法 电感的自动测试方法有：L-U等。 图1.3所示为L-U转换电路。设输入为＝sint，则输出为 （1-3） 分别与同相参考信号和正交参考信号相乘解出实部分量和虚部分量，即可求出和。 图1.3 L-U转换电路 1.2.3 电流/电压转换的常用方法 简单的I/U转换 I/U转换最简单的形式是在电流信号的输出端接一标准电阻，如图1.4所示，Ix为测试电流，R为标准电阻，通常取250Ω或500Ω.输出电压为 U0 =RIx (图1.4) 若Ix=4~20mA,取R=250Ω，则U0=1~5v. 放大器式I-U转换 简单的I-U转换中，标准电阻的4相对于电流源的内阻不能很大，否则会引起误差。为了改善这种情况，可采用放大器式结构，如图1.5所示。输出电压为 U0 =-RIx 在图1.5中，要求电流Ix的内阻RS必须很大，否则输入失调电压将被放大倍， 产生较大误差；而且，电流应远大于运算放大器输入偏置电流 当转换的电流比较微小，如用光电池，光电阻作检测元件时由于它们的输出电阻很高，应此刻把它们看做电流源。通常情况下该电流的数值很小，可采用T型网络组成的微电流放大电路，如图1.6所示。在理想情况下有/ 其中，将它代入上式得输出电压为 从上式可以看出，采用较小的和的阻值，仍能满足一定放大倍数的要求。 为了抑制电流信号的共模干扰，放大器的输入可接成差动形式。 3）差动形式I-U转换 差动形式I-U转换电路如图1.7所示。利用放大器正端输入电压和负端输入电压相等的原理 可得其输出电压 若,取R=125Ω，则V。为了提高转换增益，并且有高的共模抑制比，可采用将几个运算放大器组合来的方式进行I-U转换。 1.2.4 电压/电流转换的常用方法 对于U/I转换，不仅要求输出电流与输入电压具有线性关系，而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不超过允许值，即转换具有恒流性能。 基本的U/I转换电路如图1.8所示。它由一个运算放大器A和晶体管VT1，VT2组成。三极管VT1和VT2组成电流输出级，用来扩展电流。Ux为输入电压，I0为输出电流，R3为电流反馈