U/I转换器的原理、设计与应用

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摘要:为解决大张庄泵站原有的一些老式仪表或传感器的输入、输出信号与H9000计算机监控系统中下位机LCU柜中的输入、输出继电器进行连接,本文提出U/I转换器对原有的电压、电流信号进行转换。这可以使老式装备同现代化的计算机操作系统有机的结合在一起,使泵站的自动化水平再上一个新台阶。

关键词:泵站 计算机 U/I转换器

1、U/I 转换器原理

U/I转换器是将电压转换为电流的转换器,它不但要求输出电流与输入电压具有线形关系,而且要求输出电流随负载电阻的变化所引起的变化量不超过允许值,即转换器具有恒流性能。图1为非隔离型的U/I转换器原理图。

图1 非隔离型U/I转换器原理图

2、U/I转换器电路的设计

这个电路（见图2）是一个非隔离型的U/I转换电路。它由输入电压的分压放大环节,基准电压的分压环节,输入电压、基准电压、反馈电压的比较环节,反馈环节,倒相放大环节,电流输出环节。

2.1 输入电压的分压放大环节

它由主要元件运算放大器LM385和分压器P1构成,如图2种输入电压的分压放大环节所示。首先,输入电压Ui经过由R0和R1组成的的分压电路,这样做的目的是为了增大输入电流的输入范围,分压公式为:

（1）

这样Ui1就成为了运算放大器LM358的正相输入。运算放大器的反相输入端接入反馈信号。反馈回路由分压器P1,电容C1,电阻R2和电阻R3组成。分压器P1的调节对运算放大器的输出有着微小的调节作用,它对输入电压的调零起到了微调的作用。电容C1的作用是去掉放大过程中的交流干扰信号。

2.2 基准电压的分压环节

它由-5V稳压管和分压器P2构成,如图2中基准电压的分压环节所示,由于-5V稳压管的作用,U1节点上的电压为-5V,这是一个恒定值。再经分压管P2的分压作用,得到一个小于或等于U1（-5V）的电压U2,这个U2就作为基准电压接到下一级比较器的正相端.

2.3 比较环节

它由运算放大器LM741、分压器P3和电容C2构成,如图2中的比较环节可了解这个结构。这个环节中的基准电压Ub2不再是那个从分压器P2上所分下来的电压U2,而是U2和由电阻R7反馈回来的电压信号叠加而成的电压。输入电压Ui2也是Ui经前一个环节分压放大后的信号和有电阻R8反馈回来的电压信号叠加而成的。由于加入了反馈信号,这个电路就具有了深度的负反馈,因此电路将具有良好的恒流性能。而由运算放大器的输出端通过C2连接到运算放大器的反相输入端,这是为了平稳电路。

2.4 反馈环节

见图2的反馈环节,它由电阻R7、R8,分压器P4,电容C3组成,作用就是引回反馈信号,使电路具有深度电流负反馈。所以,这个环节不再赘述。

2.5 倒相放大环节

如图2中的倒相放大环节所示,它由三极管T1和稳压管D1构成。稳压管D1的电压使三极管T1一直处于导通状态,这样输入信号就可以经过T1进行放大。图中的R9是一个偏置电阻,使T2可以导通。这样,经放大后的信号就传递给了T2,因为在T2的射极上有负载电阻,所以可以得到输出电流。

2.6 电流输出环节

如图2中的电流输出环节所示,这部分由分压器P4,三极管T2,电容C3组成。三极管T2的射极接有P4和电容C3。电容C3的作用是消除三极管放大时产生的交流电流干扰信号。而P4在电路中的调节作用是确定电流输出的范围,这就为我们所需不同的电流范围提供了方便。

2.7 U/I转换电路的整个流程

如图所示,这是U/I转换电路整个流程的电路图。它是将1～5V的电压信号Vi加到U/I转换电路的电压输入端。电压信号先经过分压处理,然后又进入运算放大器LM358进行放大,这样做的目的就是可以使电压输入信号的可调范围更大。经过放大的信号和反馈信号叠加后进入运算放大器LM741和基准电压进行比较,这样的目的是通过电路中的可调基准电压对输入电压进行零点调节。接着信号进入三极管T1进行放大倒相放大,接下来就是进入三极管T2。三极管T2作为输出电流环节的重要组成部分,输出电流的负载电阻将接在三极管T2的射极上,这样在这部分我们就可以得到和输入电压对应的输出电流。

3、U/I转换器的应用

各种仪表有自己的输出信号的类型和范围,对输入信号的类型和范围也有要求,如DDZ-Ⅱ型仪表的输入、输出都是0～10mADC的电流信号;DDZ-Ⅲ型仪表的输入、输出都是4～20mADC的电流信号或1～5VDC的电压信号;要将这些仪表连用,就必须经过信号转换器将不同的信号进行线性转换。

U/I转换器在现代化水利泵站中的应用是非常广泛的,在大张庄泵站中的一些老式仪表和传感器的输入、输出信号与泵站的H9000计算机监控系统中下位机LCU柜中的输入、输出进行信号连接中就采用了U/I转换器。这是因为在信号传输中电压信号的衰减比电流信号要大很多,就造成现场的实际数据和上位机的显示数据存在很大的差异。例如,在大张庄泵站中油压装置的压力传感器和前后池测量水位的压力传感器的输出信号都是电压信号,而且距离下位机是最远的,如果它的电压信号直接传输,就会有产生很大偏差。而U/I转换器可将0～10VDC或1～5VDC的电压信号转换为4～20mADC或0～10mADC的电流信号。所以我们在传感器的输出端安装一块U/I转换器,使输出信号转换成电流信号向下位机传送,这样就使实际值和显示值的误差减至最小。

但我们在使用U/I转换器时,需要考虑以下问题:

(1)线性特性:即要求转换器的输出信号y与输入信号x之间具有比例关系,即（3）式中A、B——常数。

转换器的线形误差（即转换精度）不得超过允许值。对大过量程信号的转换器,线性误差一般要求小于0.01%;对小量程信号（如mV级信号）的转换器,一般要求小于0.5%。

(2)要求信号转换器具有一定的输入阻抗和输出阻抗,在仪表连用时,输入阻抗和输出阻抗的匹配直接影响信号的转换精度。

(3)直流电位隔离问题:在某些场合进行信号的传递和转换时,要求输入电路、输出电路与电源电路在直流电位上彼此隔离,其目的在于输入、输出电路的接地点可以选择,并可提高抗干扰能力。因此,有隔离型与非隔离型两类转换器。在隔离转换器中,有两种实行电路隔离的方法,一种是采用电磁隔离器（变压器或变流器）通过磁耦合传输信号,另一种是采用光耦合器为主要元件构成光电隔离器。光电隔离器是近年来发展起来的新型器件,它已在许多新型仪表中得到应用。

参考文献

[1]余雷声主编.电气控制与PLC应用,北京:机械工业出版社,1996.

[2]李仁主编.电器控制,北京:机械工业出版社,1990.