多功能通用信調器設計技術

西安航天動力試驗技術研究所 李正兵 祝 敏 蔡 琳 李 波

多功能通用信調器設計技術

西安航天動力試驗技術研究所 李正兵 祝 敏 蔡 琳 李 波

從通用傳感器測量物理量的原理出發，通過對傳感器輸出信號變換分析，論述了信調器基本設計思想，信調器功能擴展，給出了信調器關鍵電路模塊設計實例，最后論述了信調器在工程實踐中的應用。

信調器；信號源；電路設計

前言

在壓力、溫度、應變和流量等參數測量系統中,傳感器將待測物理量信號轉變成電信號,傳統信調器主要完成傳感器激勵電源提供、輸出信號放大、濾波,并將濾波后信號轉變成某一標準范圍的電信號,供后端A/D數采系統記錄。

隨著微電子技術及測試技術的發展,對信調器的功能要求日益完善。除信號變換基本功能外,還需具備信號源輸出、輸入狀態切換、多類型變送器接入、信號輸出檢測等功能。但市場上的信調器大多功能單一,不能同時滿足壓力、溫度、流量等多種類型測量信號的調理要求。因此,研制建立多功能信調器,將大大簡化測量系統組成,加快測量通道故障檢查定位,對提高測試系統可靠性具有重要意義。

1 設計思想

1.1 信調器基本電路設計思想

如圖1.1所示,V為施加給傳感器標準電源,ZX為傳感器輸出阻抗,ZS為信調器所帶標準阻抗,當被測信號物理量改變時,傳感器輸出阻抗ZX相應發生改變,則有：

圖1.1 信調器與傳感器接口設計

當ZS＞＞ZX時,有：

其中：

Z0—傳感器感受物理量變化前阻抗;

ΔX—傳感器感受物理量變化前后阻抗的變化量。

即當標準電源V、標準阻抗ZS一定時,k為常數,傳感器的阻抗隨被測物理量線性變化時,也將線性變化,信調器將變成標準電流或電壓,可根據校驗系數,即可方便求得被測物理量。

例如,當傳感器輸出為電容時,電路接口連接如圖1.2所示：

圖1.2 信調器與傳感器接口設計

根據公式(2)或(5),可得到通用信調器原理框圖如1.3所示,激勵電路為信號提取電路提供標準電壓,放大及濾波電路實現對交流信號KΔX線性變換,調零電路完成變送器零位輸出(V0)調整,信號輸出模塊實現直流信號到標準電壓或電流輸出變換。

圖1.3 通用信調器原理框圖

當輸出電壓與被測物理量不成線性變化時,可通過現場校驗的辦法對傳感器進行原位校驗,得到物理量與變送器輸出電壓的對應表。數據處理時,對采集到的電壓進行插值或查表計算,得到相應物理量。

1.2 信調器擴充功能設計

根據目前測量信號的常用類型及測量系統檢查測試方法,信調器除完成信號變換基本功能外,其擴充功能主要包括標準信號源輸出,測量狀態切換等功能。標準信號源輸出包括毫伏級與伏級直流電壓輸出、頻率量信號輸出、4mA電流輸出、20mA電流輸出等信號類型。測量狀態切換功能主要實現輸入端短路、程控電源輸入、橋路傳感器并電阻等功能。通過標準信號源輸入可實現測量通道現場校準,通過狀態切換可完成測量通道快速檢查、故障定位,如圖1.4所示。

圖1.4 通用信調器擴充功能框圖

1.3 信調器結構設計

信調器組成主要包括主板、插件板、直流電源、信號檢測輸出及機箱等模塊。機箱采用標準3U高19英寸儀器箱,后面板安裝有輸入輸出航空插座與信號檢測輸出插座,前面板具有標準信號源輸入輸出插座、通道及電源狀態顯示等。插件板與主板采用歐式插頭座連接,每塊插件板包含2個通道,完成獨立傳感器激勵、信號放大、濾波等信號調節功能,主板實現標準電壓與電流信號源輸出、測量狀態切換、輸入輸出等功能,如圖1.5所示。

2 關鍵電路模塊實現

2.1 傳感器精密電源設計

2．1．1 精密可調直流電壓、電流源設計

目前,應變式壓力傳感器大多要求直流電壓供電,電壓范圍從9～12V不等,具體激勵電壓與傳感器阻抗與靈敏度相關,傳感器消耗電流小于50mA。壓阻式壓力傳感器或鉑電阻溫度傳感器,一般需要恒流源供電,電流在區間0.1～1.5mA范圍,為滿足傳感器對不同測量通道的激勵電源要求,需要設計高穩定可調激勵電源,如圖2.1所示。

圖1.5 信調器結構組成圖

主板直流電源輸出連接插件板隔離模塊V1,V1輸出獨立的隔離15V電壓源,一路電壓通過精密可調穩壓芯片LM217調整后,由調整電位器RvV為傳感器傳感器提供不同的激勵電壓。隔離模塊V1輸出為電壓提供標準電壓基準的同時,一路分給R14、R15、U4與功率管Q1,通過調整電位器RvI,三極管輸出所需不同大小的恒定電流。

2．1．2 精密交流電壓源設計

當測量物理量傳感器為電容或電感類型時,傳感器供電要求為交流電壓源,通過對T型、LC、RC等振蕩電路的分析、比較,采用使用文氏振蕩阻容電橋與高精密穩壓二極管相結合技術,獲得輸出頻率、幅值連續可調的高穩定激勵交流電壓源,如2.2圖所示。

R31、W2、C5、C6為選頻網絡,與IC8A、W1、R30組成振蕩電路,IC8B對振蕩信號進行幅值調整,IC9與高精度穩壓管對交流電源進行穩壓與驅動。電路參數調整完畢后,可將電阻器交W1、W2、W3換成精密電阻,進一步提高信號穩定性。交流信號測試結果如表3.1所示,幅值與頻率準確度分別優于0.1%、0.1%。

表3.1 交流激勵電壓源每隔30分鐘測試數據

2.2 信號放大與濾波電路設計

由于應變式傳感器輸出信號一般僅為毫伏級,有些甚至更小。為了方便信號濾波及后續AD采集,需要對信號進行前置放大。AD624是一款高精密、低噪聲、低漂移、高共模抑制比儀表放大器,其輸入漂移電壓最大僅25μV,共模抑制比達130dB,非線性最大為0.005%。對應的通頻帶為0--10kHz。信調器放大與濾波電路如圖2.3所示。

圖2.1 隔離可調精密電壓源與電流源原理圖

圖2.2 精密交流激勵電壓源原理圖

圖2.3 信號放大及濾波電路原理圖

圖2.4 信號源模塊電路原理圖

可通過放大倍數選擇開關選擇放大倍數,R7、R8、R9、Rw0為應變式全橋傳感器調零電路;R2、Rwb、SR1、L1、L2為橋路傳感器并電阻單元,調整Rwb可得到不同并電阻輸出電壓,當并電阻開關向上時,并電阻指示二極管亮,開關向下,處于傳感器測試狀態,測量二極管亮。

R5、R6、C7、C8、U2組成二階巴特沃斯濾波器單元。低通濾波器截止頻率由下式(6)計算：

表2 壓力傳感器經過信調器放大后校準數據

2.3 信號源電路設計

AD694是AD公司精密電流轉換芯片,可使用單電源或雙電源供電,其非線性最大僅為0.02%,不但具有輸入緩沖單元,且提供2V或10V精密參考電壓輸出。使用AD694產生的電壓源與電流源如圖2.4所示,通過開關選擇輸出。TLC555是TI公司計時芯片,可與TTL、CMOS電路完全兼容,最大頻率可達2MHz,其與C1、R7、R8組成交流信號發生器,輸出頻率200、500Hz。所有電壓信號經過U2緩沖器驅動輸出。

3 多功能信調器在參數測量中的應用

多功能信調器研制完成后,己成功應用于低溫壓力傳感器現場校準測試、某型號閥門、減壓器可靠性壽命試驗。主要用于低溫應變壓力傳感器、鉑電阻溫度傳感器、熱電偶、真空壓力傳感器及變送器信號放大,測量通道校準。在壓力傳感器校準過程中,分別記錄標準壓力源與信調器放大電壓數,記錄數據與計算結果如表2所示,測試數據表明,系統標準偏差優于0.1%,線性良好,性能穩定。

4 結論

盡管信調器己進入測試領域很長時間,但類型多,功能單一,不能同時滿足壓力、溫度、流量等參數信號調節要求。本文設計的信調器具有信號變換精度高、性能穩定、可滿足目前大部分傳感器信號變換等特點,且具有信號源、狀態切換、信號校準與檢測等附加功能,在工程實踐中使用方便,適用于緩變參數測量領域。

[1]李正兵．高精度新型調制變送器的設計[J]．火箭推進,2011,36(5):67-69．

[2]揚振江,孫占彪．智能儀器與數據采集系統中的新器件及應用[M]．西安:西安電子科技大學出版社,2001(12)．

[3]馬場清太郎．運算放大器應用電路設計[M]．北京:科學出版社,2007(4)．

[4]黃建設．電容式變送器的一種故障的診斷處理．控制工程,2003,11:495-496．

技術基礎項目：該課題由科工局技術基礎JSJC2013203A001項目提供支持。

李正兵（1968—），男，研究員，主要從事液體火箭發動機試驗測控系統設計。