交流信號轉直流信號電路設計

摘要：為了解決傳感器交流輸出與儀器儀表直流輸入之間信號不匹配問題，根據二極管的單向導電性和運算放大器的深度負反饋原理，設計了精密全波整流電路。經實測證明，當交流信號有效值在一定范圍內變化時，該電路可以實現交流信號到直流信號的精確轉換。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/192736.htm

關鍵詞：全波整流；有效值；運算放大器；線性光耦；隔離電壓

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.011

工業測量和控制系統中，傳感器輸出信號為多種形式的模擬量，其多數不能被直接使用，而需要經過變送電路將其轉換成統一的直流模擬信號（1～5V或4～20mA），再根據系統需要，用數據采集卡將直流模擬信號轉換成可參與計算和完成過程控制的數字量。目前市場上的儀器儀表多以直流輸入信號為主，而交流信號是傳感器輸出信號中較為多見的一種，為此需要設計一個交直流信號變送模塊，將多種交流信號轉換成統一的直流信號量，以便于能夠被控制儀表、計算機或PLC等系統中的控制單元所識別。

該模塊共由五個主要部分組成：輸入緩沖電路，全波精密整流電路，光電隔離電路，線性輸出電路和隔離電源。結構框圖如圖1所示。

輸入緩沖電路

傳感器的交流輸出多為電壓信號。為了降低信號源的負載，通常需要提高下一級的信號輸入阻抗，采用以運放為核心的電壓跟隨器作為模塊的輸入級是有效的解決方式。由于傳感器產生的交流信號頻率范圍比較寬，選擇運算放大器時得考慮選擇寬頻，高速的特殊放大器。例如，AD711就符合這方面要求，它具有1012Ω輸入阻抗，小信號輸入帶寬可達到4MHz[5]。

該部分為全波精密整流電路，是整個模塊的核心部分。其輸出電壓為變送模塊輸入電壓的絕對值，因此也叫絕對值電路[1]。二極管具有單向導電性，是常用的整流元件，但二極管非線性比較大且有一個正向導通電壓，當信號幅度小于二極管的導通電壓時，二極管處于截止狀態，使得整流出來的信號誤差非常大，為了提高精度，可利用運算放大器的放大作用和深度負反饋來克服二極管非線性和正向導通壓降造成的誤差。

全波精密整流電路分為兩部分，第一部分由運放U1A及周邊器件構成半波精密整流電路，第二部分由U1B及周邊器件構成反相求和電路。詳見圖2。

半波精密整流電路

交流轉直流變送模塊作為過程控制系統信號采集的前級儀器，其直流信號輸出通常是連接到二次儀表或其他數據采集模塊上。為了降低輸入交流信號對輸出直流信號以及后級儀表干擾，采取了在模塊的輸入級和輸出級之間增加線性光耦和隔離電源的措施。借助光耦，輸入信號在經過了電壓→電流→發光→電流→電壓的傳遞過程同時也實現了信號前后級無電氣聯系的光電隔離。因此線性光耦是模塊中實現光電隔離功能的重要器件，其性能將對整個變送模塊的精度產生重要影響。此處設計采用的線性光耦是SLC800，它具有線性度好，隔離電壓高，可靠性好，價格低等優點。其內部結構原理圖及在此次設計中的應用電路如圖4所示。

隔離電路工作原理

由SLC800的LED，二極管PD1及運放U2A組成隔離電路的信號輸入部分，二極管PD2及電阻R10構成隔離電路的輸出部分。假定該隔離電路的輸入電壓為Vi，輸出電壓為Vo，SLC800的LED、PD1、PD2產生的電流分別為If、I1、I2，LED發光二極管與在PD1、PD2上產生的電流比分別為K1、K2，同時PD1與PD2的電流比定為K3[2]。當電壓信號經過 R7→U2A+→R8→LED→PD1→U2A-/ R9，此時運放U2A正好工作于深度負反饋中，使得SLC800產生一個穩定的輸出。

從S L C 8 0 0數據手冊可知，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為每個芯片的特性參數[2]，因此根據輸入信號范圍可適當選取R8和R10的阻值，以獲取合適的輸出電壓范圍。隔離電路中R8不僅用于調節電流If大小，同時還用來調節由于芯片之間K值的分散度而導致的SLC800實際輸出電壓與設計值之間的偏差。

線性輸出電路主要是實現線性電流的輸出和調節整個變送模塊的輸出零點與量程。其構成及具體功能如下：

可調電阻R21和U3A組成線性輸出電路的調零電路。2.5V直流參考電壓從穩壓管TL431獲得，通過可變電阻器R21分壓調節整個電路最終輸出電流的零點。U3B用作光耦SLC800輸出的直流電壓Vo（見圖4）的輸入緩沖器，用來提高信號輸入阻抗，降低信號的負載。

信號隔離不僅需要信號回路的前后級隔離，同時也要把信號回路前后級的供電隔離，這樣以避免因干擾通過供電電源對后級輸出產生影響。本次設計采用的隔離電源是金升陽公司生產的A1209D-2W，它具有體積小，隔離電壓高，溫度特性好等優點[4]。

分別選正弦波、三角波、鋸齒波3種不同交流信號作為輸入，此次測試輸入的有效值為0～1.2V，測試結果顯示整個電路誤差保持在0.1%之內，滿足了一般現場的精度要求，測試數據詳細見表1。

經過多次測試和現場用戶使用反饋，該模塊不僅精度高、線性度好而且穩定。同時其體積比較小，對現場空間要求不高，便于安裝。模塊中所用的器件多為通用元件，價格低且易于購買，大量使用時具有明顯的成本優勢。使其不僅可以作為獨立儀器使用，也可嵌入到現有的直流輸入儀表及數據采集單元中，擴展其信號輸入種類。因此，在解決交直流信號轉換問題上該模塊具有很好的應用空間和市場價值。