电路变送器主要由电压信号调理、V- I 变换、功率输出和隔离等电路构成。
1. 电压信号调理电路
对于被变送对象是模拟信号时,信号调理电路的作用是信号放大或衰减;对于被变送对象是数字信号时,信号调理电路的作用是D/A 转换。
在模拟电路中,如要将电桥、压力传感器、热电偶等输出信号变换,可以使用差分放大电路、仪表放大器等放大,例如测量PT100 的电路,如图1 所示。
图1 PT100 的测量电路
对于数字量输出传感器或设备,那只有采用D/A 转换技术了,包括使用DAC 和PWM,如图2 所示。
图2 DAC 和PWM 电路框图。
使用DAC 设计要考虑DAC 位数(分辨率)、线性度和参考电压的温漂,例如设计0.5%的变送器至少需要10 位的ADC,线性度小于2LBS.
使用PWM方式要考虑PWM的位数,因为PWM方式要加一个低通滤波器才能得到平直的直流电压信号,所以低通滤波器的响应速度、线性度都要考虑。
两者相比来说,PWM方式比DAC 方式有成本优势,故在廉价的变送器,响应速度要求不高情况下,PWM方式是不错的选择。
2. V- I 转换电路
典型的V- I 转换电路,如图3 所示。
图3典型V- I 转换电路。
V- I 转换电路也叫恒流源电路。先简单分析一下其原理:
由于运放虚短虚断特性可知,V2 等于Vin,流过RL 的电流(Iout )等于流过R1 的电流。很容易得到:
可见,负载电流Iout 与负载无关,只要R1 不变,负载电流Iout跟输入电压Vin成正比。
在实际使用中,R1 要选取高精度低温漂的电阻。
3. 扩流电路
由于在实际应用中运放的输出能力有限制,一般都很小,不宜直接驱动负载,因此要用扩流电路,如图4 所示。
图4 扩流电路。
需要说明的一点是,V- I 转换电路的负载并不能任意取值的,只能在允许范围内取值,这就是V- I 转换电路的带负载能力。以图4为例,假如电路的负载电流(流过RL 的电流)为20mA 时,输入电压为2.5V,运放LM358 最大输出电压为12V- 1.5V=10.5V,Q1 的Vbe=0.7V,那么RL 两端电压最大为10.5- 0.7- 2.5=7.3V,最大RL=7.3V/20mA=365 欧。这就意味当RL 大于365 欧,且输入电压为2.5V 时,将无法再输出20mA。
三极管Q1 的耗散功率也需要考虑在内。当RL=0 时,Q1的耗散功率最大为(12V- 2.5V)*0.02A=0.19W.因此要选用功率大于0.2W的三极管。
4.保护电路
电源接反、超压、浪涌是工业上常见的电源问题。电源接反是设备安装接线时最容易发生的错误,输入口串联一只二极管即可防止接反电源时损坏电路。如果输入端加一个全桥整流器,那么即使电源接反仍能正常工作。为防止雷击、静电放电、浪涌等能量损坏变送器,变送器入口处可以加装一只TVS 管来吸收瞬间过压的能量。一般TVS 电压值取比运放极限电压略低,才能起到保护作用。如果可能遭受雷击,TVS 可能吸收容量不够,压敏电阻也是必需的,但是压敏电阻本身漏电会带来一定误差,如图5 所示。
图6 电源保护电路结构。