具有自校正功能的隔離式頻率電流轉換器設計

天地（常州）自動化股份有限公司 季小燕

1.引言

頻率電流轉換器可以采集標準的200-1000Hz(或者0-1000Hz)的頻率信號并將其轉換成標準的4～20mA的電流信號，因目前多數傳感器輸出頻率信號而PLC、DCS系統能夠大量采集的是電流信號，所以被廣泛應用于PLC、DCS系統的數采集。現在的頻率電流轉換器在實際的應用中容易受外界環境干擾而出現工作不穩定，誤差增大等問題，一般采取的措施就是設計硬件電路通過精密可調電位器調節轉換器的精度，使其滿足要求，這在一定程度上加大了現場維護的難度。為此，筆者設計了一種具有自動校正功能的頻率電流轉換器，該轉換器采集傳感器（或其他設備）的頻率信號，將頻率信號轉換為4～20mA的電流信號。同時利用閉環控制原理[2]，將電流信號反饋給轉換器，轉換器采集到的電流數據和由頻率轉換的電流數據二者進行比較，通過算法處理，校正電流輸出，使轉換器的精度和工作穩定性都能提高。

2.頻率電流轉換器硬件設計

隔離式頻率電流轉換器主要由頻率電壓轉換電路、電壓電流轉換電路以及電源管理模塊以及閉環的反饋控制模塊(自校正)組成，如圖1所示。頻率電壓轉換電路以美國微芯半導體公司的單片機PIC16F1783為核心，由單片機最小系統以及頻率隔離、采集模塊組成。電壓電流轉換電路采用ANALOG DEVICES公司的集成芯片AD5410設計。外部直流電源一部分直接給電壓電流轉換芯片供電，另一部分通過降壓芯片LDO轉換為5V直流電源給單片機以及其他模塊供電。閉環反饋模塊主要是是通過精度為0.01%的高精密電阻采集轉換器的輸出電流，然后將轉換后的電壓反饋到單片機系統中，通過單片機內置的AD模塊采集電壓，做數據處理

。3.頻率電流轉換器的軟件設計

頻率電流轉換器的軟件采用C語言程序模塊化程序設計，主要包括頻率信號的采集處理、反饋的電壓信號采集處理，自動校正算法等，具體流程如圖2所示。

3.1 自動校正處理

工業現場環境非常復雜，電磁干擾、環境溫度、濕度的差異以及噪聲等因素使轉換器上的核心元器件的性能有所變化，因此轉換器的電流輸出值就會與實際值存在偏差，即產生誤差，目前大多做法是通過硬件電路調節轉換器的精度，使其滿足要求。不失一種解決辦法，但是每個現場條件不一樣，迫使每個現場都要對轉換器的硬件做調節，無疑加大了調試和后期維護的難度和成本。筆者利用閉環控制原理，采集轉換器輸出的電流，通過處理轉換為和輸入頻率一致的數據，在單片機內部將頻率數據和反饋的電流數據做比較，如果反饋數據大于頻率處理數據，就相應的減小將要發送的數據；反之，如果反饋數據小于頻率處理數據，就相應增加將要發送的數據，輸出穩定、精確的頻率數據，從而達到自動校正輸出電流的目的，其具體流程如圖3所示。

表1 頻率電流轉換器數據輸出格式

表2 環境因素反饋補償前后所測數據

圖1 隔離式頻率電流轉換器的硬件組成

圖2 頻率電路轉換器的軟件設計流程圖

圖3 環境反饋補償流程

3.2 轉換模塊數據輸出格式

筆者設計的這款隔離式頻率電流轉換器為了完全滿足工業現場的應用，并減輕控制機的數據處理工作量，在數據處理上做了相關處理，處理形式如表1所示。

從表1可以看出，輸入頻率小于180Hz或者大于1050Hz時，轉換器按照無頻率處理，輸出0mA，可做為斷線處理狀態，在181-199和1001-1050區間范圍內是一個離散值，當主控制器采集到這兩個數值即可進行報警處理，只有在200-1000Hz的范圍內線性輸出4-20mA的電流。

4.測試

在同一工業現場環境下，環境因素反饋補償前后所測得一組數據如下表2所示。

由表2可以看出，在補償前，測量值誤差較大，最大一組數據誤差已經接近0.5%了，而補償后的數據最大誤差也不到0.1%，由此表明補償效果很好。

5.結語

測試結果表明，筆者設計的自校正功能的頻率電流轉換器性能得到很大程度上的改善。該轉換器現在已經在KXJ11-660隔爆兼本安型PLC控制箱中得到現場應用。隨著PLC控制箱的大量推廣，該轉換器也得到了大量推廣。目前在很多傳感器上也開始配套使用本頻率電流轉換器。實際應用表明，該轉換器的數據采集精度可達0.2級，誤差范圍小于±0.2%，滿量程(1000Hz，對應輸出20mA)工作時的電流為26.8±0.2mA，最低功耗僅為280mW(當供電電源為12V，此時最大負載為500Ω)，而且穩定性好，受環境因素影響小，滿足一般工業控制應用的要求。

[1]費業泰.誤差理論與數據處理(5版)[M].北京:機械工業出版社,2004.

[2]胡壽松.自動控制原理(5版)[M].北京:科學出版社,2007.

[3]李榮正.PIC單片機原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2010.