隨著數(shù)字儀表的廣泛使用，將III型儀表的1～5 V／4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一種數(shù)字量信號(hào)，成為許多儀表需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，而現(xiàn)在主要采用轉(zhuǎn)換電路，多數(shù)是雙電源供電，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差。本電路設(shè)計(jì)采用單電源電壓供電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，能提高電源使用效率。
I／F轉(zhuǎn)換電路主要包括電壓／頻率轉(zhuǎn)換電路(VFC)和電流～頻率轉(zhuǎn)換電路(IFC)兩部分。電壓／頻率轉(zhuǎn)換電路(VFC)的功能是將輸入直流電壓1～5 V經(jīng)過(guò)電壓跟隨器，轉(zhuǎn)換成0．5～2．5 V的輸出電壓。經(jīng)過(guò)積分器，輸出穩(wěn)定的三角波，再將其輸入電壓比較器，最后輸出穩(wěn)定的矩形波，使輸出頻率為10～50 kHz。電流／頻率轉(zhuǎn)換電路的功能是將輸入直流電流4～20 mA經(jīng)過(guò)增益放大，輸出0．5～2．5 V的恒定電壓，最后完成頻率轉(zhuǎn)換，輸出穩(wěn)定的矩形波。此電路具有I／F、V／F電路轉(zhuǎn)換成頻率的功能。僅采用3～5 V的單電源供電，電路結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、輸出線性度高、功能完善。
1 電路方案設(shè)計(jì)
單電源I／F轉(zhuǎn)換電路最主要的部分是由運(yùn)算放大器、積分器、比較器、CMOS開(kāi)關(guān)電路組成。其設(shè)計(jì)的合理與否，直接關(guān)系到電路輸出波形的成功問(wèn)題。所設(shè)計(jì)的電路原理框圖如圖1所示。
(1)運(yùn)算放大電路。
運(yùn)算放大器選用LM358，起放大輸入信號(hào)的作用，也可以構(gòu)成絕對(duì)值電壓跟隨器，調(diào)節(jié)輸入電壓。雖能實(shí)現(xiàn)本電路的功能，但是，LM358芯片放大速率較慢，信號(hào)供電電壓范圍小，僅為4～5 V，不夠穩(wěn)定，且特性溫度范圍小，為0～70℃，容易受溫度影響。運(yùn)算放大器選用OPA2335，采用單電源供電，工作電壓為+2．7<+5．5 V，有MSOP-8和SO-8兩種封裝形式，內(nèi)部包含兩個(gè)運(yùn)算放大器。放大速率高，比較穩(wěn)定，且特性溫度范圍大，為-40～125℃，不易受溫度的影響。因此，選用OPA2335。
(2)CMOS開(kāi)關(guān)電路。
CMOs開(kāi)關(guān)選用芯片CD4016，但芯片CD4016內(nèi)阻較大，最大可達(dá)到100 Ω，且不夠穩(wěn)定，會(huì)隨著供電電壓的改變而改變。CMOS開(kāi)關(guān)選用芯片TS5A23166，輸入高電平，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通；輸入低電平，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。TS5A23166芯片內(nèi)阻極小，只有0．5 Ω，較穩(wěn)定，不會(huì)隨電壓的改變而改變。所以選用TS5A23166芯片。
2 單電源I／F轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)
單電源I／F轉(zhuǎn)換電路，主要由運(yùn)算放大器、絕對(duì)值電壓跟隨器、積分器、基準(zhǔn)電壓、滯回電壓比較器、CMOS開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)等部分組成。
單電源I／F轉(zhuǎn)換電路主要分為3級(jí)，第1級(jí)是將輸入電壓或電流通過(guò)絕對(duì)值電壓跟隨器和運(yùn)算放大器處理，最后輸出恒定的電壓。電路的設(shè)計(jì)主要是將電流／頻率轉(zhuǎn)換電路(IFC)的輸入電流4～20 mA直接轉(zhuǎn)換成0．2～1 V電壓，通過(guò)絕對(duì)值電壓跟隨器和運(yùn)算放大器處理，輸出0．5～2．5 V電壓作為第2級(jí)輸入電壓。同理，電壓／頻率轉(zhuǎn)換電路(VFC)則是將輸入電壓1～5 V通過(guò)轉(zhuǎn)換，也輸出0．5～2．5 V電壓作為第2級(jí)輸入電壓。第2級(jí)是將恒定的電壓經(jīng)過(guò)積分器進(jìn)行充電和放電，最后輸出穩(wěn)定的三角波。第3級(jí)是將穩(wěn)定的三角波輸入比較器中，其中比較器的正輸入端的電壓由3端固定式穩(wěn)壓電路提供穩(wěn)定的電壓，因此能夠輸出穩(wěn)定的方波，而且輸出的方波線性度好。
(1)第1級(jí)運(yùn)算放大電路電路分析(芯片OPA2335AID)。
輸入4～20 mA范圍的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)取樣電阻R1轉(zhuǎn)換成0．2～1 V電壓，經(jīng)過(guò)放大器放大2．5倍，輸出0．5～2．5 V恒定電壓；輸入1～5 V范圍的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電阻分壓，電壓跟隨器，最后也輸出0．5～2．5 V恒定電壓。
這部分電路突出特點(diǎn)就是可以輸入電流、電壓兩種信號(hào)，而且最終輸出電壓都為0．5～2．5 V的恒定電壓，完成了兩部分的功能。電路如圖2所示。
(2)第2級(jí)電路分析(芯片OPA2335AID、TS5A23166)。
輸入0．5～2．5 V的電壓，通過(guò)積分器，電容C1充電，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間充電完成，電壓達(dá)到最大值。當(dāng)CMOS開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電容開(kāi)始放電，電容反復(fù)進(jìn)行充電、放電，這樣反復(fù)循環(huán)，最后輸出穩(wěn)定的三角波。且用OPA2335AID作為積分器，縮短了周期，從而提高了頻率。電路如圖3所示。
(3)第3級(jí)電路分析(芯片OPA2335AID、TS5A23166、REF3020)。
將穩(wěn)定的三角波輸入電壓比較器負(fù)相輸入端，而正相輸入電壓則由基準(zhǔn)電壓所提供。采用REF3020，可以輸出恒定的2 V的電壓，當(dāng)比較器輸出為高電平時(shí)，COMS開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，正輸入端輸入高電平，反之，輸入低電平。電路經(jīng)過(guò)這樣反復(fù)循環(huán)過(guò)程，最后輸出穩(wěn)定的方波。電路如圖4所示。
3 設(shè)計(jì)結(jié)果
本設(shè)計(jì)的單電源I／F轉(zhuǎn)換電路能夠較好地將電流信號(hào)和電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，具有較好的線性度。測(cè)試方法和測(cè)試數(shù)據(jù)記錄如下：
(1)分別輸入信號(hào)5 V，4．5 V，4 V，3．5 V，3 V，2．5 V，2 V，1．5 V，1 V，的輸出電壓，測(cè)量出對(duì)應(yīng)的輸出頻率值，計(jì)算線性度，實(shí)現(xiàn)V／F轉(zhuǎn)換。
(2)分別輸入信號(hào)20 mA，18 mA，16 mA，14 mA，12 mA，10 mA，8 mA，6 mA，4 mA，觀察輸出波形，測(cè)量出對(duì)應(yīng)的輸出頻率值，計(jì)算線性度，實(shí)現(xiàn)I／F轉(zhuǎn)換。
測(cè)試結(jié)果分析：經(jīng)分析，電路能實(shí)現(xiàn)I／F、V／F轉(zhuǎn)換，計(jì)算得出線性度為+0．1％FS(5 Hz)，結(jié)果如圖5和圖6所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
文中電路設(shè)計(jì)，能夠較好地將電流信號(hào)和電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的方波信號(hào)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分利用單電源供電的特點(diǎn)、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性較高、線性度好，能夠滿足過(guò)程儀表的精度要求且方便簡(jiǎn)潔，儀表設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值。