交流信号转直流信号电路设计

　　摘要：为了解决传感器交流输出与仪器仪表直流输入之间信号不匹配问题，根据二极管的单向导电性和运算放大器的深度负反馈原理，设计了精密全波整流电路。经实测证明，当交流信号有效值在一定范围内变化时，该电路可以实现交流信号到直流信号的精确转换。

　　引言

　　工业测量和控制系统中，传感器输出信号为多种形式的模拟量，其多数不能被直接使用，而需要经过变送电路将其转换成统一的直流模拟信号(1~5V或4~20mA)，再根据系统需要，用数据采集卡将直流模拟信号转换成可参与计算和完成过程控制的数字量。目前市场上的仪器仪表多以直流输入信号为主，而交流信号是传感器输出信号中较为多见的一种，为此需要设计一个交直流信号变送模块，将多种交流信号转换成统一的直流信号量，以便于能够被控制仪表、计算机或PLC等系统中的控制单元所识别。

　　变送模块整体结构

　　该模块共由五个主要部分组成：输入缓冲电路，全波精密整流电路，光电隔离电路，线性输出电路和隔离电源。结构框图如图1所示。

　　输入缓冲电路

　　传感器的交流输出多为电压信号。为了降低信号源的负载，通常需要提高下一级的信号输入阻抗，采用以运放为核心的电压跟随器作为模块的输入级是有效的解决方式。由于传感器产生的交流信号频率范围比较宽，选择运算放大器时得考虑选择宽频，高速的特殊放大器。例如，AD711就符合这方面要求，它具有1012Ω输入阻抗，小信号输入带宽可达到4MHz[5]。

　　全波精密整流电路

　　该部分为全波精密整流电路，是整个模块的核心部分。其输出电压为变送模块输入电压的绝对值，因此也叫绝对值电路[1]。二极管具有单向导电性，是常用的整流元件，但二极管非线性比较大且有一个正向导通电压，当信号幅度小于二极管的导通电压时，二极管处于截止状态，使得整流出来的信号误差非常大，为了提高精度，可利用运算放大器的放大作用和深度负反馈来克服二极管非线性和正向导通压降造成的误差。

　　全波精密整流电路分为两部分，第一部分由运放U1A及周边器件构成半波精密整流电路，第二部分由U1B及周边器件构成反相求和电路。详见图2。

　　半波精密整流电路

　　该部分电路工作分两种情况：交流输入信号Ui>0与Ui<0。

　　当Ui>0时，运放U1A的输出电压U1a<0，二极管D2导通，D1截止，运放U1A工作在深度负反馈状态。此时这个电路相当于反相比例电路[1]，

　　Uo1=-R2/R1*Ui (1)

　　因此时式(1)中Ui>0，故Uo1为负值。

　　当Ui<0时，运放U1A的输出电压U1a>0，二极管D1导通，D2截止，运放U1A也处于深度负反馈状态，其反相输入端为虚地点，因此D2的正极电压Uo1=0。

　　由于R1=R2，故Uo1的电压波形为变送模块输入信号Ui同幅值的负半周波形。见图3负半轴波形[3]。

　　反相求和电路

　　该部分电路由U1B及周边器件构成。由反相求和电路[1]可得：

　　Uo/R6=-(Uo1/R5+Uo2/R4) (2)

　　由图2可知，R6=R4=2*R5，Uo2=Ui，而Uo1为Ui的负半周。由公式(2)得：

　　当Ui>0时，Uo1=-Ui，Uo=Ui；

　　当Ui<0时，Uo1=0，Uo=-Ui；

　　所以Uo=|Ui|。经过半波整流和反相求和电路之后，输入的正弦波形已变成频率为原来2倍，幅值与原来相同，脉动系数为0.67的直流电(没有电容C1和C2的情况)。见图3正半轴波形[3] 。此直流电还需要通过滤波电容C2变成平滑的直流电，以便后面的光电隔离电路使用。

　　光电隔离电路

　　交流转直流变送模块作为过程控制系统信号采集的前级仪器，其直流信号输出通常是连接到二次仪表或其他数据采集模块上。为了降低输入交流信号对输出直流信号以及后级仪表干扰，采取了在模块的输入级和输出级之间增加线性光耦和隔离电源的措施。借助光耦，输入信号在经过了电压→电流→发光→电流→电压的传递过程同时也实现了信号前后级无电气联系的光电隔离。因此线性光耦是模块中实现光电隔离功能的重要器件，其性能将对整个变送模块的精度产生重要影响。此处设计采用的线性光耦是SLC800，它具有线性度好，隔离电压高，可靠性好，价格低等优点。其内部结构原理图及在此次设计中的应用电路如图4所示。

　　隔离电路工作原理

　　由SLC800的LED，二极管PD1及运放U2A组成隔离电路的信号输入部分，二极管PD2及电阻R10构成隔离电路的输出部分。假定该隔离电路的输入电压为Vi，输出电压为Vo，SLC800的LED、PD1、PD2产生的电流分别为If、I1、I2，LED发光二极管与在PD1、PD2上产生的电流比分别为K1、K2，同时PD1与PD2的电流比定为K3[2]。当电压信号经过R7→U2A+→R8→LED→PD1→U2A-/R9，此时运放U2A正好工作于深度负反馈中，使得SLC800产生一个稳定的输出。

　　从SLC800数据手册可知，I2=K3*I1，I1=K1*If，由于If=Vi/R8，Vo=I2*R10，故：

　　Vo=K1*K3*(R10/R8)*Vi (3)

　　式(3)中K1和K3为每个芯片的特性参数[2]，因此根据输入信号范围可适当选取R8和R10的阻值，以获取合适的输出电压范围。隔离电路中R8不仅用于调节电流If大小，同时还用来调节由于芯片之间K值的分散度而导致的SLC800实际输出电压与设计值之间的偏差。

　　线性输出电路

　　线性输出电路主要是实现线性电流的输出和调节整个变送模块的输出零点与量程。其构成及具体功能如下：

　　可调电阻R21和U3A组成线性输出电路的调零电路。2.5V直流参考电压从稳压管TL431获得，通过可变电阻器R21分压调节整个电路最终输出电流的零点。U3B用作光耦SLC800输出的直流电压Vo(见图4)的输入缓冲器，用来提高信号输入阻抗，降低信号的负载。

　　运放U3A、U3B、U4A构成同相求和电路，可调电阻R22为线性输出电路的量程调节电阻器。U4B与R17、R18、Q1构成深度负反馈，实现输出直流电流与输入信号成线性关系的功能。具体原理图详见图5。

　　隔离电源

　　信号隔离不仅需要信号回路的前后级隔离，同时也要把信号回路前后级的供电隔离，这样以避免因干扰通过供电电源对后级输出产生影响。本次设计采用的隔离电源是金升阳公司生产的A1209D-2W，它具有体积小，隔离电压高，温度特性好等优点[4]。

　　测试结果

　　分别选正弦波、三角波、锯齿波3种不同交流信号作为输入，此次测试输入的有效值为0～1.2V，测试结果显示整个电路误差保持在0.1%之内，满足了一般现场的精度要求，测试数据详细见表1。

　　结束语

　　经过多次测试和现场用户使用反馈，该模块不仅精度高、线性度好而且稳定。同时其体积比较小，对现场空间要求不高，便于安装。模块中所用的器件多为通用元件，价格低且易于购买，大量使用时具有明显的成本优势。使其不仅可以作为独立仪器使用，也可嵌入到现有的直流输入仪表及数据采集单元中，扩展其信号输入种类。因此，在解决交直流信号转换问题上该模块具有很好的应用空间和市场价值。

　　参考文献：

　　[1]童诗白，模拟电子技术基础[M].第二版.北京：高等教育出版社，1998

　　[2]Solid State Optronics.SLC800数据手册[Z].Rev 2.0，2012-09-17

　　[3]NI Multisim Fundamentals

　　[4] Mornsun.A_D-2W&B_D-2W系列数据手册[Z].2012

　　[5]Analog Devices Inc，. AD711英文产品数据手册[Z]Rev E， 2002

　　蒋伯华 袁克峰 袁峰 彭春文 孙宇辉