中心議題：

• 一般工業現場使用的傳感器需要改進
• 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

解決方案：

• 選擇合適的元器件，使輸入輸出獲得良好的線性對應關系
• 采用ＬＭ３３，實現Ｖ／Ｆ　轉換
• 采用相應元件組成低通濾波器，減少輸入電壓中的干擾脈沖

隨著電子技術和計算機技術的迅速進步，工業自動化得到了快速發展，而在工業控制領域，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測系統大部分只允許接入１～５ｍＡ或者２００～１０００Ｈｚ的模擬信號，所以在一般工業現場使用的傳感器要實現在煤礦的應用，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。
 

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的恒流源，其輸出電流應能夠保持穩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，經運算放大器放大后再經三極管放大，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）

流經負荷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，元件要經過精確測量后再焊接，并經過仔細調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。

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，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、線性頻率調制解調、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和低到４．０Ｖ電源電壓下都有極高的精度。ＬＭ３３１的動態范圍寬，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的關系為：
　　Ｆｏｕｔ＝　Ｖｉｎ•Ｒｓ／（２．０９•Ｒ１•Ｒｔ•Ｃｔ）

可見，在參數Ｒｓ、Ｒ１、Ｒｔ、Ｃｔ確定后，輸出脈沖頻率Ｆｏｕｔ與輸入電壓Ｖｉｎ成正比，從而實現了電壓－頻率的線性變換。改變式中Ｒｓ的值，可調節電路的轉換增益，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，在電路參數基本確定后，通過調節Ｒｓ的電位器，可以實現所需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，可根據轉換精度適當選擇，其中Ｒｔ、Ｃｔ、Ｒｓ、Ｒ１要選用低溫漂的穩定元件，Ｃｉｎ可根據需要選擇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，要實現將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，其他轉換也依此類推。

結語
以上介紹的兩個轉換電路所需費用低，且結構簡單，調試方便，非常易于實現，并且經過我們的礦用監測設備多次的實際現場應用，其對于國內一般的煤礦安全監測系統的接入信號的要求都能夠很好地滿足應用。