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係
• 采用ＬＭ３３，實現Ｖ／Ｆ　轉換
• 采用相應元件組成低通濾波器，減少輸入電壓中的幹擾脈衝

suizhedianzijishuhejisuanjijishudexunsujinbu
，gongyezidonghuadedaolekuaisufazhan，erzaigongyekongzhilingyu

，jiancechuanganqijianqizheyuelaiyuezhongyaodezuoyong

，gezhongxianjindechuanganqizhengzaidaliangyingyong。

但是很多傳感器隻提供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係統大部分隻允許接入１～５ｍＡ或者２００～１０００Ｈｚ的(de)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)
，所(suo)以(yi)在(zai)一(yi)般(ban)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)使(shi)用(yong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)要(yao)實(shi)現(xian)在(zai)煤(mei)礦(kuang)的(de)應(ying)用(yong)
，除(chu)了(le)考(kao)慮(lv)防(fang)爆(bao)因(yin)素(su)外(wai)
，還(hai)必(bi)須(xu)進(jin)行(xing)輸(shu)出(chu)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)的(de)轉(zhuan)換(huan)。這(zhe)種(zhong)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)轉(zhuan)換(huan)如(ru)果(guo)購(gou)買(mai)專(zhuan)用(yong)的(de)轉(zhuan)換(huan)設(she)備(bei)，不(bu)僅(jin)價(jia)格(ge)高(gao)，使(shi)用(yong)也(ye)不(bu)是(shi)很(hen)方(fang)便(bian)。實(shi)際(ji)上(shang)自(zi)己(ji)設(she)計(ji)製(zhi)作(zuo)一(yi)些(xie)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)也(ye)可(ke)以(yi)方(fang)便(bian)的(de)實(shi)現(xian)所(suo)需(xu)性(xing)能(neng)，下(xia)麵(mian)就(jiu)介(jie)紹(shao)兩(liang)種(zhong)實(shi)用(yong)的(de)電(dian)壓(ya)／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／Ｉzhuanhuan，shijiangshurudedianyaxinhaozhuanhuanchengmanzuyidingguanxidedianliuxinhao
，zhuanhuanhoudedianliuxiangdangyigeshuchuketiaodehengliuyuan，qishuchudianliuyingnenggoubaochiwendingerbuhuisuifuzaidebianhuaerbianhua。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，經運算放大器放大後再經三極管放大，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的集電極電流等於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的比例關係。由Ｉｏ≈（Ｖ０＋Ｖｉ）／Ｒｗ　關係式也可以看出，當確定了Ｖｉｎ　和Ｉｏ之間的比例關係後
，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相當於將其直接接地。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，隻需先將４～２０ｍＡ轉換成電壓即可按上述關係確定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係，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(yao)選(xuan)用(yong)低(di)溫(wen)漂(piao)的(de)精(jing)密(mi)電(dian)阻(zu)或(huo)精(jing)密(mi)電(dian)位(wei)器(qi)，元(yuan)件(jian)要(yao)經(jing)過(guo)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)後(hou)再(zai)焊(han)接(jie)，並(bing)經(jing)過(guo)仔(zai)細(xi)調(tiao)試(shi)以(yi)獲(huo)得(de)最(zui)佳(jia)的(de)性(xing)能(neng)。我(wo)們(men)在(zai)多(duo)次(ci)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)測(ce)試(shi)
，上(shang)述(shu)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)的(de)最(zui)大(da)非(fei)線(xian)性(xing)失(shi)真(zhen)一(yi)般(ban)小(xiao)於(yu)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(zhuan)換(huan)
，是(shi)將(jiang)一(yi)定(ding)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)按(an)線(xian)性(xing)的(de)比(bi)例(li)關(guan)係(xi)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)頻(pin)率(lv)信(xin)號(hao)
，當(dang)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)時(shi)
，輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)也(ye)響(xiang)應(ying)變(bian)化(hua)。針(zhen)對(dui)煤(mei)礦(kuang)的(de)特(te)殊(shu)要(yao)求(qiu)
，我(wo)們(men)隻(zhi)分(fen)析(xi)如(ru)何(he)將(jiang)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)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、線性頻率調製解調、長時間積分器及其他相關器件。由於ＬＭ３３１采用了新的溫度補償能隙基準電路
，在整個工作溫度範圍內和低到４．０Ｖ電源電壓下都有極高的精度。ＬＭ３３１的動態範圍寬，可達１００ｄＢ；線性度好，最大非線性失真小於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，隻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，並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係為：
　　Ｆｏｕｔ＝　Ｖｉｎ•Ｒｓ／（２．０９•Ｒ１•Ｒｔ•Ｃｔ）

可見
，在參數Ｒｓ、Ｒ１、Ｒｔ
、Ｃｔ確定後
，輸出脈衝頻率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之間的線性比例關係。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，由於元器件與標稱值存在誤差，在電路參數基本確定後，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幹擾脈衝，有利於提高轉換精度。電路中的４７Ω　電阻對確保電路線性失真度小於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的頻率信號隻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(yi)上(shang)介(jie)紹(shao)的(de)兩(liang)個(ge)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)所(suo)需(xu)費(fei)用(yong)低(di)

，且(qie)結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)
，調(tiao)試(shi)方(fang)便(bian)，非(fei)常(chang)易(yi)於(yu)實(shi)現(xian)，並(bing)且(qie)經(jing)過(guo)我(wo)們(men)的(de)礦(kuang)用(yong)監(jian)測(ce)設(she)備(bei)多(duo)次(ci)的(de)實(shi)際(ji)現(xian)場(chang)應(ying)用(yong)
，其(qi)對(dui)於(yu)國(guo)內(nei)一(yi)般(ban)的(de)煤(mei)礦(kuang)安(an)全(quan)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)的(de)接(jie)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)要(yao)求(qiu)都(dou)能(neng)夠(gou)很(hen)好(hao)地(di)滿(man)足(zu)應(ying)用(yong)。